IA-32系統級架構是由寄存器、數據結構、指令組成。用來支持系統級別的操作，比如內存管理，終端和異常處理，任務管理和多處理器控制等。可以看出架構的這些部分和操作系統聯系非常緊密，自然而然為操作系統提供了廣泛的支持。

下圖提供了對IA-32中32位系統寄存器和數據結構的整體概述

全局和局部描述符表（Global and Local Descriptor Tables）

傳統的實地址模式下的匯編中，利用CS:IP來訪問內存，CS左移四位加IP獲得物理地址，但是通常不需要關心基地址，只需要偏移地址即可訪問內存，因為實地址模式的基地址通常是固定的。但是在保護模式下，為了達到保護內存的目的，就需要讓不同程序有不同的基地址（基地址如果固定，那么很容易就被他人直到程序的運行位置，很不安全）。

所以，在保護模式下，內存是一段一段分配的，分配的那一段內存頭地址就是基地址，也稱段地址。同時，操作系統也需要記錄分配出去的每一段內存，實際上，每段內存都使用一個8字節的段描述符記錄著，所有的這些段描述符被放在一塊連續內存空間中存儲著，稱為描述符表。

當系統在保護模式下運行時，所有的內存操作都需要通過全局描述符表（GDT）或局部描述符表（LDT）來完成。這兩個描述符表有好多好多段描述符（segment descriptors），段描述符提供了若干信息，包括

• 段的基地址
• 訪問權限
• 類型
• 用法

每個段描述符都有和它相關聯的段選擇符（segment selector），段選擇符提供了如下信息

• 索引，提供段描述符在全局/局部描述符表中的偏移量（下標）
• 全局/局部的標識符，用來標識這個選擇符是指向GDT還是LDT
• 訪問權限信息

總結，全局/局部描述符表相當于一個數組，數組元素是段描述符，而每個段描述符對應一個段選擇符，這個段選擇符就相當于是數組下標，記錄段描述符在全局/局部描述符表中的位置。另外，段選擇符不在描述符表里。

如上所述，段選擇符提供了段描述符的位置，也就是說，如果此刻手里有段選擇符，那么就可以知道與它關聯的那個段描述符在GDT/LDT中的位置。根據開頭的描述，知道段描述符就等于知道內存段的基地址，但是光有基地址是不夠的，訪問內存還需要偏移地址，這就回到了最開始的部分，保護模式下訪問內存，需要基地址和偏移地址兩個地址。
其實，保護模式下的CS仍然是16位的，IP變為EIP，是32位寄存器。此時CS就是段選擇符，而EIP相當于偏移量，通過CS在描述符表中找到段描述符從而找到基地址，加上EIP表示的偏移量，成功尋址。

如果當前運行的處理器特權級（CPL-Current Privilege Level）有訪問段的權限的話，就可以通過這種機制來訪問在GDT（全局描述符表）或LDT（局部描述符表）中的各種合法代碼，數據和堆棧。
注：CPL被定義為當前執行代碼段的保護級

段選擇符提供了段描述符，段描述符提供了基地址，再加上偏移量，就可以找到某個段內存中的某個字節（byte）

此外，段描述符也可以表示LDT段（局部描述符表也是一個段），訪問LDT需要使用段選擇符，找到GDT中的段描述符，從而找到LDT。同時，為了減少訪問LDT時進行的段轉換次數，LDT的段選擇符，段基地址，段限長都會放在LDTR寄存器中。

• 全局描述符表只是一個數據結構，用來存儲描述符，不是段，所以它本身沒有段選擇符和段描述符。
• 局部描述符表是一個段，有段選擇符和段描述符，段描述符存在全局描述符表中。
• 全局描述符表的線性基地址存放在寄存器GDTR中

只要是段，都需要用一個段描述符表示，而每個段描述符也必定會有一個與之關聯的段選擇符

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系統段，系統描述符和門（System Segments, Segment Descriptors, and Gates）

除了代碼，數據和堆棧段是構成程序運行的環境外，系統架構還定義了兩個系統段（System Segments）：任務狀態段（TSS）和局部描述符表段（LDT）。和上面一樣，每個段都有一個段描述符和段選擇符，TSS和LDT也有，但是，全局描述符表（GDT）沒有段描述符和段選擇符，導致它不是系統段的成員。另外，任務狀態段（TSS）也在GDT中

此外，除了段描述符，系統架構也提供了一些門描述符，包括

• 調用門（call gates）
• 中斷門（interrupt gates）
• 陷阱們（trap gates）
• 任務門（task gates）

門描述符主要由以下幾部分組成

• 選擇子
• 偏移地址
• DPL

調用門用于在不同特權級之間實現受控的程序控制轉移，通常僅用于使用特權級保護機制的操作系統中。本質上調用門只是一個描述符，一個不同于代碼段和數據段的描述符，可以放在GDT或者LDT中，但是不能放在IDT（中斷描述符表）中。選擇子和偏移地址指定了一個線性地址，程序正是通過這個地址進行轉移的。

如圖，程序通常使用call，jmp指令訪問調用門，這些指令中的選擇符可以用來指定調用門，在調用門中使用段基址和偏移值計算代碼程序的入口地址。而指令中提供的偏移值沒有任何用處。

任務狀態段和任務門（Task-State Segment and Task Gates）

任務狀態段（TSS）定義了任務執行環境的狀態。這些狀態包括通用寄存器、段寄存器、EFLAGS寄存器、EIP寄存器、段選擇符以及三個堆棧段（特權級別0,1,2各一個堆棧）的指針狀態。它也包括了與任務相應的LDT的選擇符和頁表基地址。

任務門用于指示任務，任務門的選擇子必須指示GDT中的任務狀態段（TSS）描述符，門中的偏移地址無意義。任務的入口點保存在TSS中。利用段間轉移指令JMP和段間調用指令CALL訪問任務門可以實現任務切換。

在任務切換時，處理器按照下面的次序進行：

保存當前TSS中當前任務的狀態

裝載新任務段選擇符的任務寄存器

通過GDT中段描述符訪問新的TSS

將新TSS中新任務的狀態裝載到通用寄存器、段寄存器、LDTR、控制寄存器CR3（頁表基地址）、EFLAGS寄存器和EIP寄存器

開始執行新任務

中斷和異常處理（Interrupt and Exception Handing）

外部中斷、軟件中斷和異常是通過中斷描述符表（IDT）處理的。IDT包含了訪問中斷和異常處理程序的門描述符表的集合。向GDT一樣，IDT也不是一個段，IDT的線性基地址包含在IDT寄存器（IDTR）中，整個中斷的尋址過程如下：

根據IDTR獲取中斷向量表的基地址

根據CPU獲取的中斷向量號（如INT n操作）得到IDT中的某個表項，即某個門描述符

解析獲得的門描述符，通常是中斷門或者陷阱門，也可以是任務門

從門描述符中獲得段選擇子

根據段選擇子，GDT，LDT獲取中斷程序的內存地址

執行中斷程序

內存管理（Memory Management）

系統架構既支持物理地址內存，也支持虛擬內存（通過分頁實現）。當使用物理內存時，線性地址就是物理地址。當使用虛擬內存時，所有的代碼，堆棧，系統段，GDT，IDT都可以通過分頁保存在內存中。

處理器提供了4個內存管理寄存器（GDTR、LDTR、IDTR和TR），這些寄存器指明了那些控制分段內存的數據結構的位置。

全局描述符表寄存器（GDTR）

• 保存全局描述符表（GDT）的32位基地址和16位的界限，基地址是GDT的線性地址，界限是GDT表中的字節數。
• 可以通過指令LGDT和SGDT來裝載和保存GDTR寄存器的值。
• 當處理器上電或復位的瞬間，GDTR的基地址被缺省賦值為0，表界限設置為FFFFH（因為上電和復位時還處于實地址模式）。
• 在初始化的過程中，如果是保護模式的操作，那么會為GRTR的基地址賦上新值

局部描述符表寄存器（LDTR）

• 保存了16位段選擇符，32位基地址，16位段限界和LDT描述符屬性。基地址就是LDT的線性地址，段界限是指段中的字節個數。
• 段選擇符用來在GDT中定位局部描述符表
• 可以通過指令LLDT和SLDT來裝載和保存LDTR寄存器的值。
• 當LLDT指令裝載一個LDTR中的段選擇符時，LDT描述符的基地址，界限和描述符屬性就自動裝載到LDTR中。
• 當進行任務切換時，LDTR就會自動被裝載上新任務的段選擇符和描述符。
• LDTR中的段選擇符中保存LDT段描述符在GTR中的位置，通過LDTR的段選擇符可以找到LDT段描述符
• 通過LDT段描述符就可以找到LDT段

中斷描述符表寄存器（IDTR）

• 保存中斷描述符表（IDT）的32位基地址和16位表界限。基地址是IDT的線性地址，表界限是表中的字節個數
• 可以通過指令LIDT和SIDT來裝載和保存IDTR寄存器的值

任務寄存器（TR）

• 保存著16位的段描述符，32位基地址，16位段界限和當前任務的TSS描述符屬性。
• 可以通過指令LTR和STR來裝載和保存任務寄存器段選擇符部分

控制寄存器（Control Registers）

控制寄存器（CR0，CR1，CR2，CR3和CR4）決定了處理器的運行模式和當前正在執行任務的特征，具體如下：

• CR0：包含系統控制標志，這些標志控制著處理器的運行模式和狀態
• CR1：保留
• CR2：包含缺頁的線性地址（引起缺頁的線性地址）
• CR3：包含了頁目錄的基地址和兩個標志（PCD和PWT）

系統寄存器（System Registers）

為了有助于初始化處理器及控制系統的運行，架構在EFLAGES寄存器內提供了系統標志和幾個系統寄存器：

• EFLAGES寄存器內的系統標志和IOPL域，控制著任務和模式切換、中斷處理、指令跟蹤和訪問特權。
• 控制寄存器（CR0、CR2、CR4）包含了若干標志和數據域用 于控制系統級的操作。這些寄存器內的其他標志指明了操作系統對處理器的兼容。
• 調試寄存器允許在調試軟件和系統軟件內設置斷點。
• GDTR、LDTR和IDTR寄存器內包含了各個表的線性地址和界限。
• 任務寄存器包含了當前任務的TSS的線性地址和界限。
• 模式相關的寄存器，主要被操作系統使用的寄存器（代碼運行在特權級別為0下），這些寄存器控制著如何調試擴展、性能監測計數器、機器檢測架構和內存類型范圍這些寄存器的個數和功能。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的IA-32 Intel手册学习笔记（一）系统架构概述的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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