X86与linux（二）

第二讲IA32寄存器简介

IA32作为80x86系列中的一员，必须保证向后兼容，也就是说，既要支持16位的处

理器，也要支持32位的处理器。在8086中，所有的寄存器都是16位的，下面我们来看一

下IA32中寄存器有何变化：

· 把16位的通用寄存器、标志寄存器以及指令指针寄存器扩充为32位的寄存器

· 段寄存器仍然为16位。

· 增加4个32位的控制寄存器

· 增加4个系统地址寄存器

· 增加8个调式寄存器

· 增加2个测试寄存器

一、通用寄存器

8个通用寄存器是8086寄存器的超集，它们的名称和用途分别为：

EAX 一般用作累加器

EBX 一般用作基址寄存器（Base）

ECX 一般用来计数（Count）

EDX 一般用来存放数据（Data）

EBP 一般用作堆栈指针（Stack Pointer）

EBP 一般用作基址指针（Base Pointer）

ESI 一般用作源变址（Source Index）

EDI 一般用作目标变址（Destinatin Index）

8个通用寄存器中通常保存32位数据，但为了进行16位的操作并与16为机保持兼容，

它们的低位部分被当成8个16位的寄存器，即AX、BX…DI。为了支持8位的操作，还进一

步把EAX、EBX、ECX、EDX这四个寄存器低位部分的16位，再分为8位一组的高位字节和低

位字节两部分，作为8个8位寄存器。这8个寄存器分别被命名为AH、BH、CH、DH和

AL、BL、CL、DL。对8位或16位寄存器的操作只影响相应的寄存器。例如，在做8位加法运

算时，位7的进位并不传给目的寄存器的位9，而是把标志寄存器中的进位标志（CF）置

位。因此，这8个通用寄存器既可以支持1位、8位、16位和32位数据运算，也支持16位和

32位存储器寻址。

二、段寄存器

8086中有4个16位的段寄存器：CS、DS、SS、ES，分别用于存放可执行代码的代码段、

数据段、堆栈段和其他段的基地址。在IA32中，有6个16位的段寄存器，但是，这些段寄

存器中存放的不再是某个段的基地址，而是某个段的选择符（Selector）。因为16位的寄

存器无法存放32位的段基地址，段基地址只好存放在一个叫做描述符表（Descriptor）

的表中。因此，在IA32中，我们把段寄存器叫做选择符。下面给出6个段寄存器的名称和

用途：

CS 代码段寄存器

DS 数据段寄存器

SS 堆栈段寄存器

ES、FS及GS 附加数据段寄存器

有关段选择符、描述符表及系统表地址寄存器将在段机制一节进行详细描述。

三、状态和控制寄存器

状态和控制寄存器是由标志寄存器EFLAGS、指令指针EIP和4个控制寄存器组成，

如图2.1所示：

图2.1状态和控制寄存器

1.指令指针寄存器和标志寄存器

指令指针寄存器EIP中存放下一条将要执行指令的偏移量（offset ），这个偏移量

是相对于目前正在运行的代码段寄存器CS而言的。偏移量加上当前代码段的基地址，就

形成了下一条指令的地址。EIP中的低16位可以分开来进行访问，给它起名叫指令指针IP

寄存器，用于16位寻址。

标志寄存器EFLAGS存放有关处理器的控制标志，如图2.2所示。标志寄存器中的第1、3、5、15位及18～31位都没有定义。

图2.2 i386标志寄存器EFLAGS

程序 （在Linux内核中叫做debug()）进行检验。当

将第8位清0后，且将断点地址装入调试寄存器DR0～DR3时，才会产生异常1的自陷。

第12、13位IOPL是输入输出特权级位，这是保护模式下要使用的两个标志位。由于输

入输出特权级标志共两位，它的取值范围只可能是0、1、2和3共4个值，恰好与输入输出

特权级0～3级相对应。但Linux内核只使用了两个级别，即0和3级，0表示内核级，3

表示用户级。在当前任务的特权级CPL（Current Privilege Level）高于或等于输入输出

特权级时，就可以执行像IN、OUT、INS、OUTS、STI、CLI和LOCK等指令而不会产生异常13

（即保护异常）。在当前任务特权级CPL为0时，POPF（从栈中弹出至标志位）指令和中

断返回指令IRET可以改变IOPL字段的值。

第9 位IF（Interrupt Flag）是中断标志位，是用来表示允许或者禁止外部中断

（参看第四章）。若第9位IF被置为1，则允许CPU接收外部中断请求信号；若将IF位清

0，则表示禁止外部中断。在保护模式下，只有当第12、13位指出当前CPL为最高特权级时，

才允许将新值置入标志寄存器EFLAGS以改变IF位的值。

第10位DF（Direction Flag）是定向标志。DF位规定了在执行串操作的过程中，对

源变址寄存器ESI或目标变址寄存器EDI是增值还是减值。如果DF为1，则寄存器减值；

若DF为0，则寄存器值增加。

第14位NT是嵌套任务标志位。在保护模式下常使用这个标志。当IA32在发生中断和

执行CALL指令时就有可能引起任务切换。若是由于中断或由于执行CALL指令而出现了任

务切换，则将NT置为1。若没有任务切换，则将NT位清0。

第17位VM （Virtual 8086 Mode Flag）是虚拟8086方式标志，是IA32新设置的一

个标志位。表示IA32CPU是在虚拟8086环境中运行。如果IA32CPU是在保护模式下运行，

而VM为又被置成1，这时IA32 就转换成虚拟8086 操作方式，使全部段操作就像是在

8086CPU上运行一样。VM位只能由两种方式中的一种方式给予设置，即或者是在保护模式

下，由最高特权级（0）级代码段的中断返回指令IRET设置，或者是由任务转换进行设

置。Linux内核实现了虚拟8086方式，但在本书中我们不准备对此进行详细讨论。

从上面的介绍可以看出，要正确理解标志寄存器EFLAGS的各个标志需要很多相关的

知识，有些内容在本章的后续部分还会涉及到。在后面的章节中，你会体会如何灵活应用

这些标志。

2．控制寄存器

状态和控制寄存器组除了EFLAGS、EIP ，还有四个32位的控制寄存器，它们是

CR0，CR1，CR2和CR3。现在我们详细看看它们的结构，如图 2－3所示。__

这几个寄存器中保存全局性和任务无关的机器状态。

CR0中包含了6个预定义标志，0位是保护允许位PE(Protedted Enable)，用于启动保

护模式，如果PE位置1，则保护模式启动，如果PE=0，则在实模式下运行。1位是监控协处

理位MP(Moniter coprocessor)，它与第3位一起决定：当TS=1时操作码WAIT是否产生一个

“协处理器不能使用”的出错信号。第3位是任务转换位(Task Switch)，当一个任务转换

完成之后，自动将它置1。随着TS=1，就不能使用协处理器。CR0的第2位是模拟协处理器位

EM (Emulate coprocessor)，如果EM=1，则不能使用协处理器，如果EM=0，则允许使用协

处理器。第4位是微处理器的扩展类型位ET(Processor Extension Type)，其内保存着处理

器扩展类型的信息，如果ET=0，则标识系统使用的是287协处理器，如果 ET=1，则表示

系统使用的是387浮点协处理器。CR0的第31位是分页允许位(Paging Enable)，它表示芯片

上的分页部件是否允许工作，下一节就会讲到。由PG位和PE位定义的操作方式如图2.4 所

示。

图 2－4 PG位和PE位定义的操作方式

CR1是未定义的控制寄存器，供将来的处理器使用。

CR2是页故障线性地址寄存器，保存最后一次出现页故障的全32位线性地址。

CR3是页目录基址寄存器，保存页目录表的物理地址，页目录表总是放在以4K字节

为单位的存储器边界上，因此，它的地址的低12位总为0，不起作用，即使写上内容，也

不会被理会。

这几个寄存器是与分页机制密切相关的，因此，在进程管理及虚拟内存管理中会涉

及到这几个寄存器，读者要记住CR0、CR2及CR3这三个寄存器的内容。

四、系统地址寄存器

IA32有4个系统地址寄存器，如图2.5所示，它保存操作系统要保护的信息和地址转换

表信息：

图2.5 IA32系统地址寄存器

选择符

选择符

这4个专用寄存器用于引用在保护模式下所需要的表和段，它们的名称和作用如下：

· 全局描述符表寄存器GDTR（Global Descriptor Table Register ），是48位寄存

器，用来保存全局描述符表（GDT）的32位基地址和16为GDT的界限。

· 中断描述符表寄存器IDTR（Interrupt Descriptor Table Register），是48位寄存

器，用来保存中断描述符表（IDT）的32位基地址和16为IDT的界限。

· 局部描述符表寄存器LDTR（Global Descriptor Table Register ），是16位寄存器，

保存局部描述符表LDT段的选择符。

· 任务状态寄存器TR（Task State Register）是16位寄存器，用于保存任务状态段

TSS段的16位选择符。

用以上4个寄存器给目前正在执行的任务（或进程）定义任务环境、地址空间和中断

向量空间。有关全局描述符表GST、中断描述符表IDT、局部描述符表LDT及任务状态段TSS

的具体内容将在稍后进行详细描述。

五、 调试寄存器和测试寄存器

1．调试寄存器

IA32为调试提供了硬件支撑。在IA32芯片内有8个32位的调试寄存器DR0~DR7，如

图2.6所示。

这些寄存器可以使系统程序设计人员定义4个断点，用它们可以规定指令执行和数

据读写的任何组合。DR0~DR3是线性断点地址寄存器，其中保存着4个断点地址。DR5、DR6

是两个备用的调试寄存器，目前尚未定义。DR6是断点状态寄存器，其低序位是指示符位，

当允许故障调试并检查出故障而进入异常调试处理程序（debug()）时，由硬件把指示符

位置1，调试异常处理程序在退出之前必须把这几位清0。DR7是断点控制寄存器，它的高

序半个字又被分为4个字段，用来规定断点字段的长度是1个字节、2个字节、4个字节及

规定将引起断点的访问类型。低序半个字的位字段用于“允许”断点和“允许”所选择的

调试条件。

2. 测试寄存器

IA32 有两个32 位的测试寄存器TR6 和TR7。这两个寄存器用于在转换旁视缓冲器

（ Translation Lookaside Buffer ） 中测试随机存储器（ RAM ） 和相联存储器

（CAM）。TR6是测试命令寄存器，其内存放测试控制命令。TR7是数据寄存器，其内保存

转换旁路缓冲器测试的数据。