控制寄存器和系统地址寄存器

布满荆棘的人生 2022-01-15 11:23 429阅读 0赞

[\[-\]][-]

1.  [一控制寄存器][Link 1]
    
    1.  [保护控制位][Link 2]
    2.  [协处理器控制位][Link 3]
    3.  [CR2和CR3][CR2_CR3]
2.  [二系统地址寄存器][Link 4]
    
    1.  [全局描述符表寄存器GDTR][GDTR]
    2.  [局部描述符表寄存器LDTR][LDTR]
    3.  [中断描述符表寄存器IDTR][IDTR]
    4.  [任务状态段寄存器TR][TR]

80386控制寄存器和系统地址寄存器如下表所示。它们用于控制工作方式，控制分段管理机制及 分页管理机制的实施。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="middle">控&nbsp;&nbsp;制<br> 寄存器</td> 
   <td align="middle">CRx</td> 
   <td align="middle">BIT31</td> 
   <td align="middle">BIT30—BIT12</td> 
   <td align="middle">BIT11—BIT5</td> 
   <td align="middle">BIT4</td> 
   <td align="middle">BIT3</td> 
   <td align="middle">BIT2</td> 
   <td align="middle">BIT1</td> 
   <td align="middle">BIT0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">CR0</td> 
   <td align="middle">PG</td> 
   <td align="middle" colspan="2">0000000000000000</td> 
   <td align="middle">ET</td> 
   <td align="middle">TS</td> 
   <td align="middle">EM</td> 
   <td align="middle">MP</td> 
   <td align="middle">PE</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">CR1</td> 
   <td align="middle" colspan="8">保留</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">CR2</td> 
   <td align="middle" colspan="8">页故障线性地址</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">CR3</td> 
   <td align="middle" colspan="2">页目录表物理页码</td> 
   <td align="middle" colspan="6">000000000000</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="middle">&nbsp;</td> 
   <td align="middle">BIT47—BIT16</td> 
   <td align="middle">BIT15—BIT0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">全局描述符表寄存器GDTR</td> 
   <td align="middle">基地址</td> 
   <td align="middle">界限</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">中断描述符表寄存器IDTR</td> 
   <td align="middle">基地址</td> 
   <td align="middle">界限</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> 
    <table> 
     <tbody> 
      <tr> 
       <td align="middle"></td> 
       <td align="middle">BIT15—BIT0</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td align="middle">局部描述符表寄存器LDTR</td> 
       <td align="middle">选择子</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td align="middle">任务状态段寄存器TR</td> 
       <td align="middle">选择子</td> 
      </tr> 
     </tbody> 
    </table> </td> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td> 
    <table> 
     <tbody> 
      <tr> 
       <td align="middle">BIT31—BIT0</td> 
       <td align="middle">BIT31—BIT0</td> 
       <td align="middle">BIT11—BIT0</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td align="middle">基地址</td> 
       <td align="middle">界限</td> 
       <td align="middle">属性</td> 
      </tr> 
      <tr> 
       <td align="middle">基地址</td> 
       <td align="middle">界限</td> 
       <td align="middle">属性</td> 
      </tr> 
     </tbody> 
    </table> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## <一>控制寄存器 ##

从上表可见，80386有四个32位的控制寄存器，分别命名位CR0、CR1、CR2和CR3。但CR1被保留， 供今后开发的处理器使用，在80386中不能使用CR1，否则会引起无效指令操作异常。CR0包括指 示处理器工作方式的控制位，包含启用和禁止分页管理机制的控制位，包含控制浮点协处理器 操作的控制位。CR2及CR3由分页管理机制使用。CR0中的位5—位30及CR3中的位0至位11是保留 位，这些位不能是随意值，必须为0。

控制寄存器CR0的低16位等同于80286的机器状态字MSW。

### 1.保护控制位 ###

控制寄存器CR0中的位0用PE标记，位31用PG标记，这两个位控制分段和分页管理机制的操作， 所以把它们称为保护控制位。PE控制分段管理机制。PE=0，处理器运行于实模式；PE=1，处理 器运行于保护方式。PG控制分页管理机制。PG=0，禁用分页管理机制，此时分段管理机制产生 的线性地址直接作为物理地址使用；PG=1，启用分页管理机制，此时线性地址经分页管理机制 转换位物理地址。关于分页管理机制的具体介绍在后面的文章中进行。

下表列出了通过使用PE和PG位选择的处理器工作方式。由于只有在保护方式下才可启用分页机 制，所以尽管两个位分别为0和1共可以有四种组合，但只有三种组合方式有效。PE=0且PG=1是 无效组合，因此，用PG为1且PE为0的值装入CR0寄存器将引起通用保护异常。

需要注意的是，PG位的改变将使系统启用或禁用分页机制，因而只有当所执行的程序的 代码和至少有一部分 [数据][Link 5]在线性地址空间和物理地址空间具有相同的地址的情况下，才 能改变PG位。

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="middle">PG和PE<br> 位与处<br> 理器工<br> 作模式</td> 
   <td align="middle">PG</td> 
   <td align="middle">PE</td> 
   <td align="middle">处理器工作方式</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">0</td> 
   <td align="middle">0</td> 
   <td>实模式</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">0</td> 
   <td align="middle">1</td> 
   <td>保护模式，禁用分页机制</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">1</td> 
   <td align="middle">0</td> 
   <td>非法组合</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="middle">1</td> 
   <td align="middle">1</td> 
   <td>保护方式，启用分页机制</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 2.协处理器控制位 ###

控制寄存器CR0中的位1—位4分别标记为MP(算术存在位)、EM(模拟位)、TS(任务切换位) 和ET(扩展类型位)，它们控制浮点协处理器的操作。

当处理器复位时，ET位被初始化，以指示系统中数字协处理器的类型。如果系统中存在 80387协处理器，那么ET位置1；如果系统中存在80287协处理器或者不存在协处理器，那 么ET位清0。

EM位控制浮点指令的执行是用软件模拟，还是由硬件执行。EM=0时，硬件控制浮点指令 传送到协处理器；EM=1时，浮点指令由软件模拟。

TS位用于加快任务的切换，通过在必要时才进行协处理器切换的方法实现这一目的。每 当进行任务切换时，处理器把TS置1。TS=1时，浮点指令将产生设备不可用(DNA)异常。 MP位控制WAIT指令在TS=1时，是否产生DNA异常。MP=1和TS=1时，WAIT产生异常；MP=0时 ，WAIT指令忽略TS条件，不产生异常。

### 3.CR2和CR3 ###

控制寄存器CR2和CR3由分页管理机制使用。

CR2用于发生页异常时报告出错信息。当发生页异常时，处理器把引起页异常的线性地址 保存在CR2中。操作系统中的页异常处理程序可以检查CR2的内容，从而查出线性地址空 间中的哪一页引起本次异常。

CR3用于保存页目录表的其始物理地址。由于目录是页对齐的，所以仅高20位有效，低12 位保留未用。向CR3中装入一个新值时，低12位必须为0；但从CR3中取值时，低12位被忽 略。每当用MOV指令重置CR3的值时，会导致分页机制高速缓冲区的内容无效，用此方法， 可以在启用分页机制之前，即把PG位置1之前，预先刷新分页机制的高速缓存。CR3寄存 器即使在CR0寄存器的PG位或PE位为0时也可装入，如在实模式下也可设置CR3，以便进行 分页机制的初始化。在任务切换时，CR3要被改变，但是如果新任务中CR3的值与原任务 中CR3的值相同，那么处理器不刷新分页高速缓存，以便当任务共享也表时有较快的执行 速度。

## <二>系统地址寄存器 ##

全局描述符表GDT、局部描述符表LDT和中断描述符表IDT等都是保护方式下非常重要的特 殊段，它们包含有为段机制所用的重要表格。为了方便快速地定位这些段，处理器采用 一些特殊的寄存器保存这些段的基地址和段界限。我们把这些特殊的寄存器称为系统地 址寄存器。

### 1.全局描述符表寄存器GDTR ###

如本文开始处的表格所示，GDTR长48位，其中高32位为基地址，低16位为界限。由于GDT 不能有GDT本身之内的描述符进行描述定义，所以处理器采用GDTR为GDT这一特殊的系统 段提供一个伪描述符。GDTR给定了GDT，如下图所示。

GDTR中的段界限以字节为单位。由于段选择子中只有13位作为描述符索引，而每个描述 符长8个字节，所以用16位的界限足够。通常，对于含有N个描述符的描述符表的段界限 设为8\*N-1。

利用结构类型可定义伪描述符如下：

PDESC STRUC
    
        LIMIT DW 0
    
        BASE  DD 0
    
        PDESC ENDS

### 2.局部描述符表寄存器LDTR ###

局部描述符表寄存器LDTR规定当前任务使用的局部描述符表LDT。如本文开始处的表格 所示，LDTR类似于段寄存器，由程序员可见的16位的寄存器和程序员不可见的高速缓冲 寄存器组成。实际上，每个任务的局部描述符表LDT作为系统的一个特殊段，由一个描 述符描述。而用于描述符LDT的描述符存放在GDT中。在初始化或任务切换过程中，把描 述符对应任务LDT的描述符的选择子装入LDTR，处理器根据装入LDTR可见部分的选择子 ，从GDT中取出对应的描述符，并把LDT的基地址、界限和属性等信息保存到LDTR的不可 见的高速缓冲寄存器中。随后对LDT的访问，就可根据保存在高速缓冲寄存器中的有关 信息进行合法性检查。

LDTR寄存器包含当前任务的LDT的选择子。所以，装入到LDTR的选择子必须确定一个位 于GDT中的类型为LDT的系统段描述符，也即选择子中的TI位必须是0，而且描述符中的 类型字段所表示的类型必须为LDT。

可以用一个空选择子装入LDTR，这表示当前任务没有LDT。在这种情况下，所有装入到 段寄存器的选择子都必须指示GDT中的描述符，也即当前任务涉及的段均由GDT中的描 述符来描述。如果再把一个TI位为1的选择子装入到段寄存器，将引起异常。

### 3.中断描述符表寄存器IDTR ###

中断描述符表寄存器IDTR指向中断描述符表IDT。如本文开始处的表格所示，IDTR长48 位，其中32位的基地址规定IDT的基地址，16位的界限规定IDT的段界限。由于80386只 支持256个中断/异常，所以IDT表最大长度是2K，以字节位单位的段界限为7FFH。IDTR 指示IDT的方式与GDTR指示GDT的方式相同。

### 4.任务状态段寄存器TR ###

任务状态段寄存器TR包含指示描述当前任务的任务状态段的描述符选择子，从而规定 了当前任务的状态段。任务状态段的格式在后面的文章中介绍。如本文开始处的表格 所示，TR也有程序员可见和不可见两部分。当把任务状态段的选择子装入到TR可见部 分时，处理器 [自动][Link 5]把选择子所索引的描述符中的段基地址等信息保存到不可见的高速 缓冲寄存器中。在此之后，对当前任务状态段的访问可快速方便地进行。装入到TR的 选择子不能为空，必须索引位于GDT中的描述符，且描述符的类型必须是TSS

[-]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#
[Link 1]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#t0
[Link 2]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#t1
[Link 3]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#t2
[CR2_CR3]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#t3
[Link 4]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#t4
[GDTR]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#t5
[LDTR]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#t6
[IDTR]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#t7
[TR]: http://blog.csdn.net/jiaguoxinzhi/article/details/2932388#t8
[Link 5]: http://www.3800hk.com/