操作系统-2.X86寄存器详解

1.什么是寄存器

寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来暂时存放参与运算的数据和运算结果以及一些CPU运行需要的信息

x86架构CPU走的是复杂指令集（CISC） 路线，提供了丰富的指令来实现强大的功能，与此同时也提供了大量寄存器来辅助功能实现。寄存器分为两类，一类对程序员不可见，这一类寄存器用于支撑CPU内部运行，程序员无法操作。一类对程序员可见，在进行汇编编写程序时，能够直接操作。

• 通用寄存器：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP、EBP
• 标志寄存器：EFLAGS
• 指令寄存器：EIP
• 段寄存器：CS、DS、ES、FS、GS、SS
• 控制寄存器：CR0、CR1、CR2、CR3、CR4
• 调试寄存器：DR0、DR1、DR2、DR3、DR4、DR5、DR6、DR7
• 描述符寄存器：GDTR、IDTR、LDTR、TR

2.实模式下寄存器（16bit）

在x86架构下，实模式可以使用的通用寄存器有 AX、BX、CX、DX、SI、DI、BP 和 SP。这些寄存器都是16位的，可以分为两个8位的寄存器来使用。

此外，还有一些特殊用途的寄存器，包括：

• IP（指令指针寄存器）：保存当前执行的指令地址。
• CS（代码段寄存器）：保存代码段的起始地址。
• DS（数据段寄存器）：保存数据段的起始地址。
• ES（附加段寄存器）：附加数据段的起始地址。
• GS（附加段寄存器）：附加数据段的起始地址。
• FS（附加段寄存器）：附加数据段的起始地址。
• SS（堆栈段寄存器）：保存堆栈段的起始地址。
• FLAGS（标志寄存器）：包含各种标志位，如零标志、进位标志、符号标志等

其中FS,GS附加段寄存器是在32位CPU中增加的，但是在32位CPU中在实模式下同样可以使用，因为32位CPU兼容16位CPU的特性。

16位寄存器	功能	高8位	低8位
AX	累加寄存器，常用于算术运算，保存与外设输入输出的数据	AH	AL
CX	计数寄存器，常用于循环指令中的循环次数	CH	CL
DX	数据寄存器，通常情况下只用于保存外设控制器的端口号地址	DH	DL
BX	基址寄存器，来存储内存地址，段基址为DS	BH	BL
SP	栈指针寄存器，段基址为SS，用来指向栈顶
BP	栈帧的基址寄存器，段基址为SS
SI	源变址寄存器，存储数据源地址,段基址为DS
DI	目的变址寄存器，存储数据目的地址,段基址为DS

BP指向栈底，SP指向栈顶，两者共同维护了栈空间。push 和 pop 可更改SP的值,sp指针的值会自动更新

2.1 寄存器用法举例

• SI、DI

      mov ecx, 10  ; 设置循环计数为10
      mov esi, 0  ; 设置SI寄存器为0作为初始值
      mov edi, 100  ; 设置DI寄存器为100作为初始值
      
  loop_start:
      mov eax, [esi]  ; 从源地址(SI)读取数据到EAX寄存器
      mov [edi], eax  ; 将数据存储到目的地址(DI)
      add esi, 4  ; 增加SI的值，以便读取下一个双字
      add edi, 4  ; 增加DI的值，以便存储到下一个地址
      loop loop_start  ; 循环，减少ECX计数，直到为零

  在这个例子中，SI和DI寄存器用作源地址和目的地址。循环从源地址读取数据，然后将其存储到目的地址，然后递增SI和DI以访问下一个元素。通过loop指令和ECX计数器，循环执行直到计数为零。

• BP、SP

  push ebp         ; 保存当前函数的旧的基址到堆栈中
  mov ebp, esp     ; 将当前堆栈指针存储到基址指针寄存器BP中
  
  sub esp, 16      ; 分配16字节的局部变量空间
  
  mov dword ptr [ebp-4], 10   ; 将值10存储到基址指针寄存器BP-4指向的位置（局部变量）
  
  mov eax, dword ptr [ebp-4]  ; 从基址指针寄存器BP-4指向的位置读取值到EAX寄存器
  
  add esp, 16      ; 释放局部变量空间
  
  pop ebp          ; 恢复旧的基址到基址指针寄存器BP中

3.保护模式下寄存器（32bit）

3.1 保护模式寄存器介绍

在32位保护模式下，x86架构提供了更多的通用寄存器以及扩展功能。以下是32位保护模式下可以使用的寄存器：

1. 通用寄存器（General Purpose Registers）：
   • EAX：累加器寄存器（Accumulator Register）。
   • EBX：基址寄存器（Base Register）。
   • ECX：计数寄存器（Counter Register）。
   • EDX：数据寄存器（Data Register）。
   • ESI：源索引寄存器（Source Index Register）。
   • EDI：目的索引寄存器（Destination Index Register）。
   • EBP：基址指针寄存器（Base Pointer Register）。
   • ESP：堆栈指针寄存器（Stack Pointer Register）。
2. 扩展通用寄存器：
   • EIP：指令指针寄存器（Instruction Pointer Register）。
   • EFLAGS：标志寄存器（Flags Register），用于存储各种标志位，如零标志、进位标志、符号标志等。
3. 段寄存器（Segment Registers）：
   • CS：代码段寄存器（Code Segment Register）。
   • DS：数据段寄存器（Data Segment Register）。
   • ES：附加段寄存器（Extra Segment Register）。
   • FS、GS、SS：附加段寄存器，用于访问额外的数据段。
4. 控制寄存器（Control Registers）：
   • CR0、CR2、CR3、CR4：用于控制和管理保护模式的特性，如分页机制、特权级等。
5. 段描述符寄存器（Descriptor Registers）：
   • GDTR：全局描述符表寄存器（Global Descriptor Table Register）。
   • IDTR：中断描述符表寄存器（Interrupt Descriptor Table Register）。
   • LDTR：局部描述符表寄存器（Local Descriptor Table Register）。
   • TR：任务寄存器（Task Register）。

3.2 控制寄存器

3.2.1 CR0寄存器

• PE: Protection Enble

  当此位为0，代表在CPU处在实模式，此位为1，表示CPU处在保护模式；从实模式切换到保护模式时需要将此位置为1.

  #进入保护模式
  mov eax, cr0
  or eax, 0x00000001
  mov cr0, eax

• TS：Task Switched

• WP：Write Protect

  对于Intel 80486或以上的CPU，CR0的位16是写保护（Write Proctect）标志。当设置该标志时，处理器会禁止超级用户程序（例如特权级0的程序）向用户级只读页面执行写操作；当该位复位时则反之。该标志有利于UNIX类操作系统在创建进程时实现写时复制（Copy on Write）技术。

• AM：Alignment Mask

• NW：Not Writethrough

• CD：Cache Disable

• PG：Paging

  是否启动分页机制的位，只有在保护模式以上才能开启分页机制。PG位为1开启分页机制，PG位为0关闭分页机制

在CPU刚上电时，处理器被复位成PE=0,PG=0。

3.2.2 CR2寄存器

3.2.3 CR3寄存器

3.2.4 CR4寄存器

3.3 EFLAGS寄存器

• CF：进位标志
• PF：奇偶位标志
• AF：辅助进位标志
• ZF：零标志位
• SF：符号标注位
• TF：陷阱标志位
• IF：中断标志位。若IF为1，表示中断开启；若为0，表示中断关闭
• DF：方向标志位。
• OF：溢出标志位。
• IOPL：特权级标志位，占2个bit，标志了4个特权级
• NT：任务嵌套标志位
• RF：恢复标志位
• VM：虚拟8086模式
• AC：对齐检查
• VIF：虚拟中断标志位
• VIP：虚拟中断挂起标志位
• ID：识别标志位
• 22~31：没有实际用途，占位用，为了将来拓展

3.4 段描述符寄存器

3.4.1 GDTR寄存器

GDTR是个48位的寄存器，专门用来储存GDT的内存地址和大小

GDT：Global Descriptor Table，全局段描述符，在保护模式下，GDT在内存中有且只有一个，GDT的数据结构如下，每个描述符8个字节，64个bit，可以存放在内存当中任意位置，addr相当于GDT的内存起始地址，GDT的总长度就就是GDT界限

段描述符的主要属性都在高32位：

• 0~7位：段基址的16-23

• 24~31位：段基址的24-31

• 8~11位：type字段，共四位，用来指定本描述符的类型

  

• 12位：S字段，用于指示系统是否是系统段。S为0表示系统段，S为1表示数据段，type字段要和S字段配合在一起才能确定段描述符的确切类型。

• 15位：Present，即段是否存在。如果段存在于内存中，P为1，否则为0

• 16~19位：段界限的16-19位

• 20位：AVL，随便用，操作系统可以随便用这一位

• 21位：L字段，用来设置是否是64位代码段。L为1表示64位代码段，否则表示32位代码段。

• 22位：D/B字段

• 23位：G字段，用来设置段界限的单位大小，若G为0，表示段界限的单位是4KB，若界为1，表示段界限的单位是4KB

• 24~31位：段基址的最后8位

在实模式下，段寄存器中存储的是段基地址，即内存段的起始地址，而在保护模式下，由于段基址已经存入了段描述符中，所以段寄存器不再存放段基址，而是存放一个叫选择子的东西，选择子用来在段描述符表中索引相应的段描述符，数据结构如下：

• 0~1位：RPL，存储请求特权级，总共有0、1、2、3四个特权级
• 2位：TI，用来表示是GDT还是LDT，TI为0表示在GDT中索引描述符，TI为1表示在LDT中索引描述符

在代码中我们可以定义对应的结构体来定义GDT和选择子以及全局描述符表指针

// 全局描述符
typedef struct descriptor_t /* 共 8 个字节 */
{
    unsigned short limit_low;      // 段界限 0 ~ 15 位
    unsigned int base_low : 24;    // 基地址 0 ~ 23 位 16M
    unsigned char type : 4;        // 段类型
    unsigned char segment : 1;     // 1 表示代码段或数据段即非系统段，0 表示系统段
    unsigned char DPL : 2;         // Descriptor Privilege Level 描述符特权等级 0 ~ 3
    unsigned char present : 1;     // 存在位，1 在内存中，0 在磁盘上
    unsigned char limit_high : 4;  // 段界限 16 ~ 19;
    unsigned char available : 1;   // 该安排的都安排了，送给操作系统吧
    unsigned char long_mode : 1;   // 64 位扩展标志
    unsigned char big : 1;         // 32 位 还是 16 位;
    unsigned char granularity : 1; // 粒度 4KB 或 1B
    unsigned char base_high;       // 基地址 24 ~ 31 位
} _packed descriptor_t;


// 段选择子
typedef struct selector_t
{
    u8 RPL : 2; // Request Privilege Level
    u8 TI : 1;  // Table Indicator
    u16 index : 13;
} selector_t;

// 全局描述符表指针
typedef struct pointer_t
{
    u16 limit;
    u32 base;
} _packed pointer_t;

下一步就是填充GDT和GDT_PTR

// 填充GDT	
	descriptor_t gdt[GDT_SIZE]; //内核全局描述符表
    memset(gdt, 0, sizeof(gdt));

    descriptor_t *desc;
    desc = gdt + KERNEL_CODE_IDX;
    descriptor_init(desc, 0, 0xFFFFF);
    desc->segment = 1;     // 代码段
    desc->granularity = 1; // 4K
    desc->big = 1;         // 32 位
    desc->long_mode = 0;   // 不是 64 位
    desc->present = 1;     // 在内存中
    desc->DPL = 0;         // 内核特权级
    desc->type = 0b1010;   // 代码 / 非依从 / 可读 / 没有被访问过
//填充 gdt_ptr
    gdt_ptr.base = (u32)&gdt;
    gdt_ptr.limit = sizeof(gdt) - 1;

然后使用lgdt命令将全局描述符表指针加载到GDTR寄存器中:

lgdt [gdt_ptr]

3.4.2 IDTR寄存器

idtr寄存器用于存储中断描述符表的地址和表界限

在中断描述符表中可以存储的是中断描述符，这里的中断描述符分为四类，以不同门的叫法来描述，在上面描述GDT的时候，提到S字段和type字段一起决定了这个描述符是什么，对于GDT来说，我们设置S位为1，代表非系统段，对于中断描述符来说需要将S位设为0，由此延申出了四种描述符：

• 任务门描述符

​ 任务门和任务状态段 (Task Status Segment，TSS) 是Intel处理器在硬件一级提供的任务切换机制，所以任务门需要和TSS配合在一起使用，在任务门中记录的是TSS选择子，偏移量未使用。任务门可以存在于全局描述符表GDT、局部描述符表LDT、中断描述符表IDT中。描述符中任务门的type值为二进制0101，其结构如下图所示。顺便说一句大多数操作系统 (包括Linux) 都未用TSS实现任务切换

• 中断门描述符

​ 中断门包含了中断处理程序所在段的段选择子和段内偏移地址。当通过此方式进入中断后，标志寄存器eflags中的IF位自动置0，也就是在进入中断后，自动把中断关闭，避免中断嵌套。Linux就是利用中断门实现的系统调用，就是那个著名的int0x80。中断门只允许存在于IDT中。描述符中中断门的type值为二进制1110，其结构如下图所示

• 陷阱门描述符

​ 陷阱门和中断门非常相似，区别是由陷阱门进入中断后，标志寄存器eflags中的IF位不会自动置0。陷阱门只允许存在于IDT中。描述符中陷阱门的type值为二进制1111。其结构如下图所示

• 调用门描述符

​ 调用门是提供给用户进程进入特权0级的方式，其DPL为3。调用门中记录例程的地址，它不能用int指令调用，只能用call和imp指令。调用门可以安装在GDT和LDT中。描述符中调用门的type值为二进制1100。其结构如下图所示

同样我们可以使用一个结构体来描述中断描述符：

typedef struct gate_t
{
    u16 offset0;     //段内偏移 0 ~ 15位
    u16 selector;    //代码段选择子
    u8 reserved;     //保留不用
    u8 type : 4;     //任务们/中断门/陷阱门
    u8 segment : 1;  //segment = 0 表示系统段
    u8 DPL : 2;      //使用 int 指令访问的最低权限
    u8 present : 1;  //是否有效
    u16 offset1;     //段内偏移 16 ~ 31位
} _packed gate_t;

然后填充中断描述符和中断

   typedef void* handler_t; // 中断处理函数
//定义idt
   gate_t idt[IDT_SIZE];
//中断处理程序段内偏移
   extern handler_t handler_entry_table[ENTRY_SIZE];	
//初始化中断描述符表
    for (size_t i = 0; i < IDT_SIZE; i++)
    {
        gate_t *gate = &idt[i];
        handler_t handler = handler_entry_table[i];
        gate->offset0 = (u32)handler & 0xffff;         //段内偏移 0 ~ 15位
        gate->offset1 = ((u32)handler >> 16) & 0xffff; //段内偏移 16 ~ 31位
        gate->selector = 1 << 3;    //代码段选择子
        gate->reserved = 0;         //保留不用
        gate->type = 0b1110;        
        gate->DPL = 0;              // 使用 int 指令访问的最低权限
        gate->present = 1;          // 是否有效
    }

最后将idt_ptr填充进IDTR寄存器中

//加载中断描述符表
idt_ptr.base = (u32)idt;
idt_ptr.limit = sizeof(idt) - 1;

asm volatile("lidt idt_ptr\n");

3.4.3 LDTR寄存器

3.4.4 TR寄存器

4.长模式下寄存器（64bit）

在长模式下，也称为64位保护模式（64-bit Protected Mode）或x86-64架构，x86处理器提供了更广泛的寄存器集合。以下是长模式下可以使用的寄存器：

1. 通用寄存器（General Purpose Registers）：
   • RAX：累加器寄存器（Accumulator Register）。
   • RBX：基址寄存器（Base Register）。
   • RCX：计数寄存器（Counter Register）。
   • RDX：数据寄存器（Data Register）。
   • RSI：源索引寄存器（Source Index Register）。
   • RDI：目的索引寄存器（Destination Index Register）。
   • RBP：基址指针寄存器（Base Pointer Register）。
   • RSP：堆栈指针寄存器（Stack Pointer Register）。
   • R8-R15：扩展的通用寄存器。
2. 扩展通用寄存器：
   • RIP：指令指针寄存器（Instruction Pointer Register）。
   • RFLAGS：标志寄存器（Flags Register），包含各种标志位。
3. 段寄存器（Segment Registers）：
   • CS：代码段寄存器（Code Segment Register）。
   • DS：数据段寄存器（Data Segment Register）。
   • ES：附加段寄存器（Extra Segment Register）。
   • FS、GS、SS：附加段寄存器，用于访问额外的数据段。
4. 控制寄存器（Control Registers）：
   • CR0、CR2、CR3、CR4、CR8：用于控制和管理保护模式的特性，如分页机制、特权级等。
5. 段描述符寄存器（Descriptor Registers）：
   • GDTR：全局描述符表寄存器（Global Descriptor Table Register）。
   • IDTR：中断描述符表寄存器（Interrupt Descriptor Table Register）。
   • LDTR：局部描述符表寄存器（Local Descriptor Table Register）。
   • TR：任务寄存器（Task Register）。
6. XMM寄存器（SSE寄存器）：
   • XMM0-XMM15：128位的向量寄存器，用于执行SSE（Streaming SIMD Extensions）指令集中的向量运算。
7. YMM寄存器（AVX寄存器）：
   • YMM0-YMM15：256位的向量寄存器，用于执行AVX（Advanced Vector Extensions）指令集中的向量运算。
8. ZMM寄存器（AVX-512寄存器）：
   • ZMM0-ZMM31：512位的向量寄存器，用于执行AVX-512指令集中的向量运算。

5. 参考链接

• 中断描述符表 - 知乎 (zhihu.com)

• (67条消息) x86保护模式——全局描述符表GDT详解_gdt全局描述符表_A__Plus的博客-CSDN博客