一、系统级体系结构概览

系统级体系结构包含了一系列的寄存器、数据结构和支持底层操作的指令。例如内存管理、中断和异常处理、任务管理，以及多处理器控制等。

1.1 全局和局部描述符表

• GDT：Global Descriptor Table，全局描述符表。
• LDT：Local Descriptor Table，局部描述符表。

在保护模式下，所有访存操作均经由 GDT 或 LDT 实现。

GDT 和 LDT 包含了 段描述符，段描述符提供了段的基地址、访问权限、类型、使用信息。

每个段描述符有一个关联的 段选择符，段选择符提供了 GDT 或 LDT 的索引、全局/局部标志（表明是否指向 GDT 或 LDT）、访问权限信息。

获取段中的某个字节需要提供段选择符、偏移地址。

IA-32e 模式下，GDTR 和 LDTR 寄存器被扩展为 64 位。

1.2 门描述符

除了代码段、数据段和堆栈段之外，该架构还定义了两个 系统段：任务状态段（TSS, Task State Segment）和 LDT。由于 GDT 不通过段选择符和段描述符进行访问，因此不认为它是一个段。

三种特殊的描述符，位于 IDT（中断描述符表，Interrupt Descriptor Table）中：

• 中断门：描述中断/异常处理程序的入口点，包含段选择符和中断/异常处理程序的段内偏移量，当控制转移到一个适当的段时，处理器会清除 IF 标志，屏蔽其它中断。
• 任务门：指示任务。当中断信号发生时，任务门内的选择符必须指示 GDT 中的 TSS 描述符，门中的偏移无意义。任务的入口点保存在 TSS 中。利用段间转移指令 JMP 和段间调用指令 CALL，通过任务门可实现任务切换。
• 陷阱门：与中断门相似，只是控制转移时不会修改 IF 标志。

1.3 TSS 和任务门

TSS 定义了一个任务在运行环境中的状态，也包含了 LDT 的段选择符。

保护模式下所有程序的执行都是发生在“任务”这一上下文中。当前任务的 TSS 段选择符保存在任务寄存器（TR, Task Register）中。

切换到某个任务：通过 CALL 或 JMP 切换到一个新的任务。新任务的 TSS 段选择符在 CALL 或 JMP 指令中给出。

处理器在切换任务时执行的操作：

1. 将当前任务的状态存到当前 TSS 中
2. 通过段选择符来为新任务加载任务寄存器
3. 通过 GDT 中的段描述符来访问新的 TSS
4. 从新的 TSS 中加载新任务的状态到通用寄存器、段寄存器、LDTR、控制寄存器 CR3、标志寄存器、EIP 寄存器
5. 开始执行新任务

1.4 中断和异常处理

外部中断、软件中断和异常均通过 IDT（中断描述符表）进行处理。

IDT 存储了一些门描述符，这些描述符提供了访问中断和异常处理程序的权限。

1.5 内存管理

系统架构支持对内存的直接物理寻址和虚拟内存的分页寻址。分业结构中包含了页面在物理内存中的位置，分业结构存储于物理内存中。

1.6 系统寄存器

为了帮助处理器进行初始化和控制系统操作，系统架构提供了系统标识符，它们存于标志寄存器（EFLAGS）以及其它系统寄存器中。

二、操作模式

• 保护模式：处理器的原生操作模式，提供了丰富的架构特性、灵活性、高性能和向后兼容性。
• 实地址模式：提供了 8086 处理器的编程环境，带有一些扩展。
• 系统管理模式（SMM）：所有 IA-32 处理器的标准架构特性，为操作系统提供了关于权力管理和 OEM 特性差异的透明机制。
• 虚拟 8086 模式：在保护模式下，处理器支持的一种准操作模式。允许处理器在受保护、多任务环境中执行 8086 软件。
• IA-32e 模式：该模式下，处理器支持两种子模式——兼容模式和 64 位模式。

保护模式->实地址模式：PE=0

实地址模式->保护模式：PE=1

三、8086 系统指令寄存器

标志寄存器

• ID：标识
• VIP：虚拟中断挂起
• VIF：虚拟中断标志
• AC：对齐检查
• VM：虚拟 8086 模式
• RF：恢复执行标志
• NT：任务嵌套
• IOPL：I/O 特权级别
• IF：中断允许标志
• TF：陷阱标志

图示如下

内存管理寄存器

• GDTR：保存 GDT 的基地址和 16 位表限制
• LDTR：保存 LDT 的 16 位段选择符、基地址、段限制、描述符属性
• IDTR：保存 IDT 的基地址和 16 位表限制
• TR：保存当前任务的 TSS 的 16 位段选择符、基地址、短线之、描述符属性

图示如下

控制寄存器

• CR0：包含控制操作模式和处理器状态的系统控制标志
• CR1：保留
• CR2：包含页面错误（page-fault）的线性地址
• CR3：包含分业结构层次的物理地址以及两个标志（PCD 和 PWT）

四、系统指令

• LGDT：读取 GDT（全局描述符表）寄存器
• SGDT：写入 GDT 寄存器
• LLDT：读取 LDT（局部描述符表）寄存器
• SLDT：写入 LDT 寄存器
• LIDT：读取 IDT（中断描述符表）寄存器
• SIDT：写入 IDT 寄存器
• LTR：读取任务寄存器
• STR：写入任务寄存器

作者：Wray Zheng
原文：http://www.codebelief.com/article/2017/11/reading-notes-of-ia-32-system-architecture-overview/