(第4讲)第2章-微处理器内部结构2.3

第2章微处理器内部结构2.3微处理器存储器组织第2章微处理器内部结构2.3微处理器存储器组织2.3.1IA-32工作方式2.3.2实方式的逻辑段2.3.3保护方式的段页管理2.3.1IA-32工作方式3种工作方式实地址方式Realaddressmode保护方式Protectedvirtualaddressmode虚拟8086方式Virtual8086mode实地址方式CPU在刚加电或复位时，进入实地址方式主要作用初始化80386，相当于快速8086CPU特点物理地址空间1MB逻辑到物理地址的转换与8086CPU相同操作数默认长度16位允许访问32位寄存器组16位段值0000193016位偏移值153020位物理地址190段：偏移量1BA4：204E+1DA8EH204EHBA40H116位段CPU的地址转换程序存储器逻辑地址物理地址存储器管理部件（MemoryManagementUnit，MMU）将由处理器发出的逻辑地址转换为存储器的物理地址。逻辑地址段值（CS，DS，ES，SS）偏移量16位（由程序给出）物理地址偏移4位实方式地址保护方式本性方式（最常用）开机或复位→实地址方式完成初始化→保护方式特点段基地址和段内偏移量都是32位可寻址4GB物理存储器采用虚拟技术，支持虚拟存储器采用分段与分页机制，实现虚拟存储器管理采用保护措施，实现存储器内容的保护与隔离支持虚拟机，支持多任务32位段虚拟8086方式与实地址方式的比较相同点为与8086/8088/80186/80188兼容而设置的16位操作方式逻辑段段首址段基址(段寄存器的内容)乘以10H段的最大尺寸均为64KB最大寻址空间均为1MB不同点实地址方式整个CPU的工作方式，即8086的工作方式IA-32CPU相当于一个快速的8086CPU只能运行8086程序的任务虚拟8086方式一种模拟(仿真)8086的方式在虚拟存储器、保护和多任务操作等环境下支持一个任务的工作方式在1MB存储空间下使用“16位段”三种工作方式的切换工作方式受寄存器位控制CR0（控制寄存器）的第0位：PEEFLAGS（标志寄存器）的第17位：VM切换方法实模式→保护模式PE=1保护模式→实模式PE=0（只能重新启动CPU来实现）虚拟8086模式VM=1保护方式存储器管理1.保护方式的特点2.虚拟存储器3.保护机制4.虚拟存储器管理1.保护方式特点可寻址4GB物理存储器地址线：32根；232B段基地址和段内偏移量都是32位采用分段与分页机制，实现虚拟存储器管理采用保护措施，实现存储器内容的保护与隔离支持虚拟机，支持多任务物理存储器：存储器芯片组成的存储器实体最大容量取决于地址线位数2.虚拟存储器非实际存在的存储器作用可写出比实际物理存储器大得多的程序从而支持多任务实现方法由存储器管理器(MMU)及一个大容量硬盘(HD)支持程序运行时只将需要访问的空间存放在内存中，而其它空间存放在外存中譬如……3.保护机制作用防止操作系统和用户程序遭到有意和无意的破坏未经授权的或不正确的访问存储器(包括I/O端口)资源特权级保护各段有特权级别，低级别程序不能访问、修改高级别的程序与数据分为：同一任务内的保护和不同任务间的保护条件保护（可靠性保护措施）违规操作引起：异常核级别0(最高特权)系统服务级别1扩展操作系统延伸级别2应用程序(用户级别)级别3(最低级别)4.虚拟存储器管理特点主存划分为：长度不固定的段分段管理方法不分页分页逻辑地址段寄存器（16位）：段内偏移量（32位）物理地址逻辑地址不分页分页物理地址逻辑地址不分页段基址（32位）+线性地址（物理地址）？逻辑地址段寄存器（16位）段内偏移量（32位）：4.1确定物理地址——不分页段长度？逻辑段的基本信息段基址(BaseAddress)段的开始地址，32位段界限(SegmentLimit)又称段限量、段限长段的大小，20位访问权限段属性(Attributes)段的保护属性，12位段访问合法性的规定等段描述符描述符表4.1.1段描述符长度8个字节基地址（24～31）GD0段限长（16～19）PDPL类型基地址（16～23）基地址（0～15）段限长（0～15）15141312111098765432106420DTAVLGD0段限长段限长（0-15）（16～19）PDPL类型基地址（16-23）基地址（24-31）基地址（0-15）15141312111098765432106420DTAVL32位段基地址决定段可在4GB线性地址空间中的任何字节处起始段属性（1）G段限长粒度位段长度单位0，字节粒状段限长以字节为单位段限长=(1～220)×1B=1B～1MB1，页粒状段限长以页(1页为4KB)为单位段限长=(1～220)×4KB=4KB～4GB例：段限长为00000H，则：有效地址偏移量=0～4K×（段限量+1）-1=0～0FFFH(4095)GD0AVL对段基地址无效，段基地址总以字节为单位（2）D段数据宽度指示位指明操数长度(不用于地址生成)0操作数和有效地址的缺省值：16位代码段：16位代码段1操作数和有效地址的缺省值：32位代码段：32位代码段GD0AVL软件可利用位（3）P(Present)段存在位描述符所描述的段是否在内存(主存)中1，在0，不在此时访问该段，会产生段异常若访问该段，需从磁盘上调入内存作用可使操作系统实现虚拟存储器PDPLDT（4）DPL描述符特权级指出段的保护级(不用于产生地址)从高到低分为：0～3(即00B～11B)级作用防止一般用户程序任意访问操作系统的对应段PDPLDT核级别0(最高特权)系统服务级别1扩展操作系统延伸级别2应用程序(用户级别)级别3(最低级别)（5）DT描述符类型指示位1为存储段描述符包括：代码段描述符和数据段描述符0为一个特殊的描述符，或称系统段描述符或门描述符PDPLDT（6）ST段可执行指示符（DT=1）区分代码段和数据段类型ST段类型代码段（ST=1）1CRA是否被访问过(1=yes)可读(1=yes)一致性(1=yes)数据段（ST=0）0EWA是否被访问过(1=yes)可写(1=yes)向下扩展(1=yes)（对于正常数据段E=0）4.1.2门描述符用于：程序转移的保护包括偏移量：给出转移到的目标程序的段内偏移量选择器：给出转移到的目标程序的段选择器访问权字节：说明该段的访问权限字计数：堆栈复制的字数描述符的分类堆栈（通常向下扩展）非堆栈（通常向上扩展）数据代码一般的段描述符特殊的段描述符TSSLDT段描述符任务门调用门中断门陷阱门门描述符描述符4.1.3描述符表描述符编成的表局部描述符表LDT(Localdescriptortable)每个任务1张全局描述符表GDT(Globaldescriptortable)1张中断描述符表IDT(Interruptdescriptortable)1张每个描述符表最长：216B=64KB最多包含（）个描述符64K/8=8192LDTAGDTLDTBCODEADATAACODEBDATABCODEKDATAKCODEOSDATAOS任务A任务BGDT、LDT的比较(1)全局描述符表GDT每一个任务都可以访问包括代码段和数据段的描述符，各任务的LDT段的描述符、TSS的描述符、调用门及任务门等全局描述符表寄存器基地址限量80286-24位80386/80486-32位16位（GDTR）216/8=213每个描述符的长度表中描述符总个数最大值GDT的定位例：若GDTR中的限长(限量)为0FFFH，基址为00100000H，则：GDT在存储器中的起始地址为：？GDT按字节算大小为：？GDT在存储器中的结束地址为：？00100000H0FFFH＋1H＝1000H00100000H＋0FFFH＝00100FFFH物理存储器∶819281918190:321空描述符:FFFFFFFFH00000000HGDT基址限长0151647GDTR(2)选择器——段寄存器段寄存器段选择器，16位作用从描述符表中选择（检索）段描述符段描述符中给出了段基地址（32位）段基地址＋偏移量=线性地址段寄存器格式TIRPLDI描述符表中的索引请求者特权级00b=最高特权11b=最低特权表指示器0=全局描述符表(GDT)1=局部描述符表(LDT)153210虚拟空间=214(个段)×232(最大偏移量)=246=64TB13位，可检索213(8192)个描述符(对应213个段)RPL(RequestorPrivilegeLevel)用于特权检查，实现特权级保护。每当程序试图访问一个段时，就要把当前程序的特权级与要访问段(目标段)的特权级进行比较，以确定是否允许程序对该段进行访问。段选择子的功能（最多为213项）（最多为213项）每项为8个字节长的段描述符第一项不用(空描述符)虚拟地址空间示意图全局段0全局段8192局部段0局部段8192虚拟地址空间64TB局部地址空间32TB全局地址空间32TB段选择符的TI=1段选择符的TI=0每个任务对应一个局部空间仅有一个全局地址空间例：保护模式下对存储器访问时的分段管理假设：程序的CPL=0，程序段的指令如下MOVAX,10HMOVGS,AXMOVEBP,2000HMOVAX,GS:[EBP]要求：试分析分段管理方式下，程序段执行过程中，每条指令所完成的相应操作。物理存储器∶00000000000000003000FFFF000098000000FF00000092014500EF0000009201:::目标单元:GDT0号GDTR320存储段GDT基址1号2号3号GS=10H=00010000BDITIRPL段选择子64位段描述符缓冲寄存器000092010000FF00HGD0段限量段限量（0-15）（16～19）段限量段限量（0-15）（16～19）PDPL类型基地址（16-23）基地址（24-31）基地址（0-15）基地址（16-23）基地址（24-31）基地址（0-15）基地址（24-31）基地址（0-15）1514131211109876543210642015141312111098765432106420DTAVL00010000HMOVEBP,2000HMOVAX,GS:[EBP]2000H+12000H段基址偏移量线性地址(3)局部描述符表LDT包含代码段、数据段和堆栈段的描述符，以及门描述符特点一个任务私有，其他任务不能共享LDT本身也是个段(系统段)需要描述符(LDTR)来描述它每个任务的LDT不相同，随着任务切换LDTR格式局部描述符表寄存器选择器限量80286-24位80386/80486-32位16位基地址16位（LDTR）确定LDT的位置和尺寸系统初始化时设置LDT的定位物理存储器∶LDT描述符GDT基址限长0151647LDTLDTR015LDTR高速缓存例：若LDTR中的选择器为18H，并且选择的LDT描述符中的基址为00040000H，段限长为1FFH，则：LDT描述符在GDT中的编号为：？LDT在存储器中的起始地址为：？LDT的结束地址为：？LDT按字节算大小为：？0011B=03H00040000H00040000H＋01FFH＝000401FFH18H=00011000B|DI|TI|RPL|01FFH＋1H＝0200HLDT选择器段的类型存储段存放程序与数据，包括：代码段、数据段和堆栈段系统段不存放程序代码或数据包括局部描述符表(LocalDescriptorTable,LDT)段任务状态段(TaskStateSegment,TSS)门描述程序转移的入口点用于任务内特