WIN32汇编语言教程:第01章 背景知识 · 1.3 必须了解的东西(1)

1.3.1  80x86处理器的工作模式

80386处理器有3种工作模式:实模式、保护模式和虚拟86模式。实模式和虚拟86模式是为了和8086处理器兼容而设置的。在实模式下,80386处理器就相当于一个快速的8086处理器。保护模式是80386处理器的主要工作模式。在此方式下,80386可以寻址4 GB的地址空间,同时,保护模式提供了80386先进的多任务、内存分页管理和优先级保护等机制。为了在保护模式下继续提供和8086处理器的兼容,80386又设计了一种虚拟86模式,以便可以在保护模式的多任务条件下,有的任务运行32位程序,有的任务运行MS-DOS程序。在虚拟86模式下,同样支持任务切换、内存分页管理和优先级,但内存的寻址方式和8086相同,也是可以寻址1 MB的空间。

由此可见,80386处理器的3种工作模式各有特点且相互联系。实模式是80386处理器工作的基础,这时80386当做一个快速的8086处理器工作。在实模式下可以通过指令切换到保护模式,也可以从保护模式退回到实模式。虚拟86模式则以保护模式为基础,在保护模式和虚拟86模式之间可以互相切换,但不能从实模式直接进入虚拟86模式或从虚拟86模式直接退到实模式。

1. 实模式

80386处理器被复位或加电的时候以实模式启动。这时候处理器中的各寄存器以实模式的初始化值工作。80386处理器在实模式下的存储器寻址方式和8086是一样的,由段寄存器的内容乘以16当做基地址,加上段内的偏移地址形成最终的物理地址,这时候它的32位地址线只使用了低20位。在实模式下,80386处理器不能对内存进行分页管理,所以指令寻址的地址就是内存中实际的物理地址。在实模式下,所有的段都是可以读、写和执行的。

实模式下80386不支持优先级,所有的指令相当于工作在特权级(优先级0),所以它可以执行所有特权指令,包括读写控制寄存器CR0等。实际上,80386就是通过在实模式下初始化控制寄存器,GDTR,LDTR,IDTR与TR等管理寄存器以及页表,然后再通过加载CR0使其中的保护模式使能位置位而进入保护模式的。实模式下不支持硬件上的多任务切换。

实模式下的中断处理方式和8086处理器相同,也用中断向量表来定位中断服务程序地址。中断向量表的结构也和8086处理器一样,每4个字节组成一个中断向量,其中包括两个字节的段地址和两个字节的偏移地址。

从编程的角度看,除了可以访问80386新增的一些寄存器外,实模式的80386处理器和8086有什么进步呢?其实最大的好处是可以使用80386的32位寄存器,用32位的寄存器进行编程可以使计算程序更加简捷,加快了执行速度。比如在8086时代用16位寄存器来完成32位的乘法和除法时,要进行的步骤实在是太多了,于是考试时出这一类的题目就成了老师们的最爱,所以那时候当学生做梦都想着让寄存器的位数快快长,现在梦想终于成真了,用32位寄存器一条指令就可以完成(问题是老师们也发现了这个投机取巧的办法,为了达到让学生们基础扎实的目的,也把题目换成了64位的乘法和除法,所以现在晚上做的梦换成了寄存器忽然长到了64位);其次,80386中增加的两个辅助段寄存器FS和GS在实模式下也可以使用,这样,同时可以访问的段达到了6个而不必考虑重新装入的问题;最后,很多80386的新增指令也使一些原来不很方便的操作得以简化,如80386中可以使用下述指令进行数组访问:

   mov cx,[eax + ebx * 2 + 数组基地址]

这相当于把数组中下标为eax和ebx的项目放入cx中;ebx * 2中的2可以是1,2,4或8,这样就可以支持8位到64位的数组。而在8086处理器中,实现相同的功能要进行一次乘法和两次加法。另外,pushad和popad指令可以一次把所有8个通用寄存器的值压入或从堆栈中弹出,比起用下面的指令分别将8个寄存器入栈要快了很多:

   push   eax
   push   ebx
   ...
   pop ebx
   pop eax

当然,使用了这些新指令的程序是无法拿回到8086处理器上去执行的,因为这些指令的编码在8086处理器上是未定义的。

2. 保护模式

当80386工作在保护模式下的时候,它的所有功能都是可用的。这时80386所有的32根地址线都可供寻址,物理寻址空间高达4 GB。在保护模式下,支持内存分页机制,提供了对虚拟内存的良好支持。虽然与8086可寻址的1 MB物理地址空间相比,80386可寻址的物理地址空间可谓很大,但实际的微机系统不可能安装如此大的物理内存。所以,为了运行大型程序和真正实现多任务,虚拟内存是一种必需的技术。

保护模式下80386支持多任务,可以依靠硬件仅在一条指令中实现任务切换。任务环境的保护工作是由处理器自动完成的。在保护模式下,80386处理器还支持优先级机制,不同的程序可以运行在不同的优先级上。优先级一共分0~3 4个级别,操作系统运行在最高的优先级0上,应用程序则运行在比较低的级别上;配合良好的检查机制后,既可以在任务间实现数据的安全共享也可以很好地隔离各个任务。从实模式切换到保护模式是通过修改控制寄存器CR0的控制位PE(位0)来实现的。在这之前还需要建立保护模式必需的一些数据表,如全局描述符表GDT和中断描述符表IDT等。

DOS操作系统运行于实模式下,而Windows操作系统运行于保护模式下。

3. 虚拟86模式

虚拟86模式是为了在保护模式下执行8086程序而设置的。虽然80386处理器已经提供了实模式来兼容8086程序,但这时8086程序实际上只是运行得快了一点,对CPU的资源还是独占的。在保护模式的多任务环境下运行这些程序时,它们中的很多指令和保护模式环境格格不入,如段寻址方式、对中断的处理和I/O操作的特权问题等。为了在保护模式下工作而丢弃这些程序的代价是巨大的。设想一下,如果Windows或80386处理器推出的时候宣布不能运行以前的MS-DOS程序,那么就等于放弃了一个巨大的软件库,Windows以及80386处理器可能就会落得和苹果机一样的下场,这是Microsoft和Intel都不愿看到的。所以,80386处理器又设计了一个虚拟86模式。

虚拟86模式是以任务形式在保护模式上执行的,在80386上可以同时支持由多个真正的80386任务和虚拟86模式构成的任务。在虚拟86模式下,80386支持任务切换和内存分页。在Windows操作系统中,有一部分程序专门用来管理虚拟86模式的任务,称为虚拟86管理程序。

既然虚拟86模式以保护模式为基础,它的工作方式实际上是实模式和保护模式的混合。为了和8086程序的寻址方式兼容,虚拟86模式采用和8086一样的寻址方式,即用段寄存器乘以16当做基址再配合偏移地址形成线性地址,寻址空间为1 MB。但显然多个虚拟86任务不能同时使用同一位置的1 MB地址空间,否则会引起冲突。操作系统利用分页机制将不同虚拟86任务的地址空间映射到不同的物理地址上去,这样每个虚拟86任务看起来都认为自己在使用0~1 MB的地址空间。

8086代码中有相当一部分指令在保护模式下属于特权指令,如屏蔽中断的cli和中断返回指令iret等。这些指令在8086程序中是合法的。如果不让这些指令执行,8086代码就无法工作。为了解决这个问题,虚拟86管理程序采用模拟的方法来完成这些指令。这些特权指令执行的时候引起了保护异常。虚拟86管理程序在异常处理程序中检查产生异常的指令,如果是中断指令,则从虚拟86任务的中断向量表中取出中断处理程序的入口地址,并将控制转移过去;如果是危及操作系统的指令,如cli等,则简单地忽略这些指令,在异常处理程序返回的时候直接返回到下一条指令。通过这些措施,8086程序既可以正常地运行下去,在执行这些指令的时候又觉察不到已经被虚拟86管理程序做了手脚。MS-DOS应用程序在 Windows操作系统中就是这样工作的。

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