PC架构

PC组成

  1. x86 CPU,其中包含一组寄存器,执行单元,内存管理硬件.
  2. CPU芯片管脚,其中包含地址和数据信号.
  3. 内存
  4. 硬盘
  5. 键盘
  6. 显示器
  7. 其他资源: 只读BIOS, 时钟等.

启动

我们将从1978年推出的16位的8086 CPU开始.

CPU指令执行

只要不出现改变EIP寄存器的指令,EIP将永远递增,不断执行下一条指令.

工作空间: 数据寄存器

  1. 4个16位数据寄存器: AX, BX, CX, DX
  2. 每个都可以分为高低两个,比如: AH和AL.
  3. 寄存器速度非常快,也非常少.

更大的工作空间: 内存

  1. CPU通过地址线来控制访问地址.
  2. 数据则由数据线传递.

地址寄存器: 指向内存

  1. SP: 栈顶寄存器
  2. BP: 栈底寄存器
  3. SI: Source index,源变址寄存器
  4. DI: Destination index,目的变址寄存器

指令位置

  1. 指令保存在内存中
  2. IP: instruction pointer, 程序计数器
  3. 通常自增
  4. 可以被如下指令修改: CALL, RET, JMP, 条件跳转.

条件跳转

FLAGS标志位

  1. 算术操作溢出
  2. 正负
  3. 零/非零
  4. 加减的借位
  5. 中断
  6. 直接数据拷贝

相关指令

  1. JP, JN, J[N]Z, J[N]C, J[N]O.

I/O

原始PC架构: 专用IO空间

  1. 和内存操作相似,但使用IO信号.
  2. 只有1024个IO地址
  3. 使用特定指令操作(IN, OUT)

  4. 示例,写一个字节到line printer:

    #define DATA_PORT    0x378
#define STATUS_PORT  0x379
#define   BUSY 0x80
#define CONTROL_PORT 0x37A
#define   STROBE 0x01
void
lpt_putc(int c)
{
/* wait for printer to consume previous byte */
while((inb(STATUS_PORT) & BUSY) == 0)
 ;

/* put the byte on the parallel lines */
outb(DATA_PORT, c);

/* tell the printer to look at the data */
outb(CONTROL_PORT, STROBE);
outb(CONTROL_PORT, 0);
}

现代PC架构: 内存映射IO

  1. 使用正常的物理内存地址

    1.1 突破了IO地址空间的限制 1.2 不需要特殊的操作指令 1.3 系统控制器将在对应的设备间充当路由功能.

  2. 操作设备如同操作一块神奇的内存

    2.1 寻址,访问等操作和操作内存一样 2.2 操作结果和内存不同 2.3 读写设备映射内存均会导致不同的反应 2.4 外部事件变化可能会导致读取的结果发生变化

内存限制突破

如何突破2^16的内存地址限制?

  1. 8086芯片的物理寻址能力是20bit,因此可以访问的内存空间是1MB.
  2. 那额外的4位来自16位的段寄存器
  3. CS: 指令段寄存器,和IP寄存器搭配使用
  4. SS: 栈段寄存器,和SP,BP寄存器搭配使用
  5. DS: 数据段寄存器
  6. ES: 另一个数据段寄存器,字符串操作目的寄存器
  7. 寻址公式: 物理地址 = 虚拟地址 + 16*段寄存器
  8. 注意: 仅使用16位地址并不能作为指针使用
  9. 完整的指针包括: 段:偏移,是(16+16)bit
  10. 注意: 指针运算和数组偏移越过段边界的情况

突破8086的内存使用限制

8086使用的是16位地址和数据寄存器,其内存寻址能力太小了,最大可用内存仅有1MB.

  1. 1985年推出的80386芯片使用32位地址和数据寄存器.
  2. 为了保证前向兼容,在启动时为16位模式.在BootLoader的前半段boot.S中,将会切换为32位模式.
  3. 寄存器由16位扩展为32位,因此寄存器名称也由AX改为EAX,其中E就是Extend的缩写.
  4. 操作和寻址的位宽也由16位改为32位
  5. 前缀0x66/0x67将会被添加到32位操作符之前,比如在32位模式,MOVW被解释为0x66 MOVW.
  6. 在boot.S中的.code32将告诉汇编器添加0x66前缀到指令之前.
  7. 除了上述改动,80386也改变了段寄存器,同时增加了分页支持.

示例

    b8 cd ab        16-bit CPU,  AX <- 0xabcd
    b8 34 12 cd ab        32-bit CPU, EAX <- 0xabcd1234
    66 b8 cd ab        32-bit CPU,  AX <- 0xabcd

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