标志寄存器

是一个16位的存放条件标志、控制标志寄存器，主要用于反映处理器的状态和ALU运算结果的某些特征及控制指令的执行。

各标志在标志寄存器中的位置

条件标志：

进位标志：用于反映运算是否产生进位或借位。如果运算结果的最高位产生一个进位或借位，则CF置1，否则置0。运算结果的最高位包括字操作的第15位和字节操作的第7位。移位指令也会将操作数的最高位或最低位移入CF。
奇偶标志：用于反映运算结果低8位中“1”的个数。“1”的个数为偶数，则PF置1，否则置0。
辅助进位标志：算数操作结果的第三位（从0开始计数）如果产生了进位或者借位则将其置为1，否则置为0，常在BCD(binary-codedecimal)算术运算中被使用。
零标志：用于判断结果是否为0。运算结果0，ZF置1，否则置0。
符号标志：用于反映运算结果的符号，运算结果为负，SF置1，否则置0。因为有符号数采用补码的形式表示，所以SF与运算结果的最高位相同。
溢出标志：反映有符号数加减运算是否溢出。如果运算结果超过了8位或者16位有符号数的表示范围，则OF置1，否则置0。
控制标志：
跟踪标志：当TF被设置位1时，CPU进入单步模式，所谓单步模式就是CPU在每执行一步指令后都产生一个单步中断。主要用于程序的调试。8086/8088中没有专门用来置位和清零TF的命令，需要用其他办法。
中断标志：决定CPU是否响应外部可屏蔽中断请求。IF为1时，CPU允许响应外部的可屏蔽中断请求。
方向标志：决定串操作指令执行时有关指针寄存器调整方向。当DF为1时，串操作指令按递减方式改变有关存储器指针值，每次操作后使SI、DI递减。

ZF标志

PF标志

SF标志

OF标志

adc

sbb

cmp指令

TEST命令

80386寄存器组

一、通用寄存器

一组八个通用寄存器是对8086/80286通用寄存器的32位扩展，其用法与在8086/80286中相似，支持8位、16位、32位操作，进行32位操作是，寄存器名称前面冠以“E”。

这八个寄存器的名称如下：EAX（累加器）、EBX（基址）、ECX（计数）、EDX（数据）、ESP（栈指针）、EBP（基址指针）、ESI（源变址）、EDI（目的变址）。

二、段寄存器

80386比8086/80286增加了两个段寄存器FS、GS。

除CS支持代码段，SS支持堆栈段外，程序员可以利用其它的所有段寄存器支持数据段。

每个段寄存器对应这一个64位高速缓存器（有些资料中说有96位，但只使用其中的64位），这在8086中是没有的（在80286中为48位）。

三、指令指针寄存器和标志寄存器

指令寄存器EIP是对8086/80286指令指针寄存器的32位扩展，它包含着待执行指令的32位偏移量，该值总是相对CS所代表的段基址而言的。

标志寄存器也是对8086/80286标志寄存器的32位扩展，其定义如下（这张图截自Intel关于IA32架构的最新文档）：

其中OF、DF、IF、TF、SF、ZF、AF、PF和CF在8086中就已经存在，请参考相关资料。

IOPL（I/O Privilege

Level）是从80286开始出现的，占2个bit表示I/O特权级，如果当前特权级小于或等于IOPL，则可以执行I/O操作，否则将出现一个保护性异常。IOPL只能由特权级为0的程序或任务来修改。

NT（Nested

Task）也是从80286开始出现的，表示嵌套任务，用于控制中断返回指令IRET，当NT=0时，用堆栈中保存的值恢复EFLAGS、CS和EIP，从而实现返回；若NT=1，则通过任务切换实现中断返回。

下面的标志位是80386以后的CPU才有的标志。

VM（Virtual-8086

mode）表示虚拟8086模式，如果VM被置位且80386已出于保护模式下，则CPU切换到虚拟8086模式，此时，对段的任何操作又回到了实模式，如同在8086下运行一样。

RF（Resume

flag）表示恢复标志(也叫重启标志)，与调试寄存器一起用于断点和单步操作，当RF＝1
时，下一条指令的任何调试故障将被忽略，不产生异常中断。当RF=0时，调试故障被接受，并产生异常中断。用于调试失败后，强迫程序恢复执行，在成功执行每条指令后，RF自动复位。

AC（Alignment

check）表示对齐检查。这个标志是80486以后的CPU才有的。当AC=1且CR0中的AM=1时，允许存储器进行地址对齐检查，若发现地址未对齐，将产生异常中断。所谓地址对齐，是指当访问一个字（2字节长）时，其地址必须是偶数（2的倍数），当访问双字（4字节长）时，其地址必须是4的倍数。

但是只有运行在特权级3的程序才执行地址对齐检查，特权级0、1、2忽略该标志。

VIF（Virtual interrupt

flag）表示虚拟中断标志。以下的三个标志是Pentium以后的CPU才有的。当VIF=1时，可以使用虚拟中断，当VIF=0时不能使用虚拟中断。该标志要和下面的VIP和CR4中的VME配合使用。

VIP（Virtual interrupt pending

flag）表示虚拟中断挂起标志。当VIP=1时，VIF有效，VIP=0时VIF无效。

ID（Identification flag）表示鉴别标志。该标志用来只是Pentium

CPU是否支持CPUID的指令。

四、系统地址寄存器

中有4个系统表寄存器，分别是全局描述符表寄存器(GDTR)、中断描述符表寄存器(IDTR)、局部描述符表寄存器(LDTR)、任务状态寄存器(TR)。系统表寄存器用于在保护方式下，管理4
个系统表，由于只能在保护方式下使用，因此又称为保护方式寄存器。

实模式

它是 Intel公司80286及以后的x86(80386,80486和80586等)兼容处理器（CPU）的一种操作模式。实模式被特殊定义为20位地址内存可访问空间上，这就意味着它的容量是2的20次幂（1M）的可访问内存空间（物理内存和BIOS-ROM），软件可通过这些地址直接访问BIOS程序和外围硬件。实模式下处理器没有硬件级的内存保护概念和多道任务的工作模式。但是为了向下兼容，所以80286及以后的x86系列兼容处理器仍然是开机启动时工作在实模式下。80186和早期的处理器仅有一种操作模式，就是后来我们所定义的实模式。实模式虽然能访问到1M的地址空间，但是由于BIOS的映射作用（即BIOS占用了部分空间地址资源），所以真正能使用的物理内存空间（内存条），也就是在640k到924k之间。1M 地址空间组成是由 16位的段地址和16位的段内偏移地址组成的。用公式表示为：物理地址=左移4位的段地址+偏移地址。

保护模式：

寻址采用32位段和偏移量，最大寻址空间4GB，最大分段4GB
(Pentium
Pre及以后为64GB)。在保护模式下CPU可以进入虚拟8086方式，这是在保护模式下的实模式程序运行环境。

在80286以及更高系列的PC中，即使A20
Gate被打开，在实模式下所能够访问的内存最大也只能为10FFEFH，尽管它们的地址总线所能够访问的能力都大大超过这个限制。为了能够访问10FFEFH以上的内存，则必须进入保护模式。

（286是Intel 80286的另一种叫法）它又被称作为虚拟地址保护模式。尽管在Intel
80286手册中已经提出了虚地址保护模式，但实际上它只是一个指引，真正的32位地址出现在Intel
80386上。保护模式本身是80286及以后兼容处理器序列之后产成的一种操作模式，它具有许多特性设计为提高系统的多道任务和系统的稳定性。例如内存的保护，分页机制和硬件虚拟存储的支持。现代多数的x86处理器操作系统都运行在保护模式下，包括Linux,
Free BSD, 和Windows3.0（它也运行在实模式下，为了和Windows
2.x应用程序兼容）及以后的版本。

实模式和保护模式的区别

从表面上看，保护模式和实模式并没有太大的区别，二者都使用了内存段、中断和设备驱动来处理硬件，但二者有很多不同之处。我们知道，在实模式中内存被划分成段，每个段的大小为 64KB ，而这样的段地址可以用 16 位来表示。内存段的处理是通过和段寄存器相关联的内部机制来处理的，这些段寄存器（ CS 、 DS 、 SS 和ES ）的内容形成了物理地址的一部分。具体来说，最终的物理地址是由 16 位的段地址和 16 位的段内偏移地址组成的。用公式表示为：物理地址 = 左移 4 位的段地址 + 偏移地址。

在保护模式下，段是通过一系列被称之为 “ 描述符表 ” 的表所定义的。段寄存器存储的是指向这些表的指针。用于定义内存段的表有两种：全局描述符表 (GDT) 和局部描述符表** (LDT) 。 GDT 是一个段描述符数组，其中包含所有应用程序都可以使用的基本描述符。在实模式中，段长是固定的 ( 为 64KB) ，而在保护模式中，段长是可变的，其最大可达 4GB 。LDT 也是段描述符的一个数组。与 GDT 不同， LDT 是一个段，其中存放的是局部的、不需要全局共享的段描述符。每一个操作系统都必须定义一个 GDT ，而每一个正在运行的任务都会有一个相应的 LDT 。每一个描述符的长度是 8 **个字节，格式如图 3 所示。当段寄存器被加载的时候，段基地址就会从相应的表入口获得。描述符的内容会被存储在一个程序员不可见的影像寄存器 (shadow
register) 之中，以便下一次同一个段可以使用该信息而不用每次都到表中提取。物理地址由 16 位或者 32 位的偏移加上影像寄存器中的基址组成。实模式和保护模式的不同可以从下图很清楚地看出来。

实模式地址

保护模式地址

保护模式同实模式的根本区别是进程内存受保护与否。可寻址空间的区别只是这一原因的果。实模式将整个物理内存看成分段的区域,程序代码和数据位于不同区域，系统程序和用户程序没有区别对待，而且每一个指针都是指向”实在”的物理地址。这样一来，用户程序的一个指针如果指向了系统程序区域或其他用户程序
区域，并改变了值，那么对于这个被修改的系统程序或用户程序，其后果就很可能是灾难性的。为了克服这种低劣的内存管理方式，处理器厂商开发出保护模式。这
样，物理内存地址不能直接被程序访问，程序内部的地址（虚拟地址）要由操作系统转化为物理地址去访问，程序对此一无所知。

1、RPL 选择子当中的权限位确定的权限

2、CPL 特指CS中的选择子当中的权限位确定的权限

3、EPL EPL=Max(RPL,CPL),即RPL和CPL中数值较大的，或说权限等级较小的

4、DPL 描述符中的权限位确定的权限

5、PL 泛指以上4种特权级

6、任务特权 =CPL

7、I/O特权由EFLAGS寄存器的位13、14确定的权限

8、一致代码段一种特殊的代码段，它在CPL>=DPL时允许访问

正常的代码段在CPL=DPL RPL<=DPL时才允许访问

五、控制寄存器

80386的控制寄存器有4个，其中CR1保留以后使用，从Pentium开始，又增加了一个CR4，CR0的低16位包含了与80286的MSW一致的位定义，保持了和80286的兼容，同时也兼容了从80286开始的两条指令LMSW/SMSW，其基本定义如下：

CR0中各位含义如下：

PE（Protection
Enable）保护模式允许，PE=0表示CPU工作在实模式，PE=1表示CPU工作在保护模式
MP（Monitor
Coprocessor）监控协处理器，MP=1表示协处理器在工作，MP=0表示协处理器未工作。
EM（Emulation）协处理器仿真，当MP=0，EM=1时，表示正在使用软件仿真协处理器工作。
TS（Task
Switched）任务转换，每当进行任务转换时，TS=1，任务转换完毕，TS=0。TS=1时不允许协处理器工作。

以上4个定义从80286开始，下面的2个定义从80386开始存在
ET（Extension
Type）处理器扩展类型，反映了所扩展的协处理器的类型，ET=0为80287，ET=1为80387。
PG（Paging）页式管理机制使能，PG=1时页式管理机制工作，否则不工作。

从80486开始又增加了如下位定义。
NE（Numeric
Error）数值异常中断控制，NE=1时，如果运行协处理器指令发生故障，则用异常中断处理，NE=0时，则用外部中断处理。
WP（Write Protect）写保护，当WP=1时，对只读页面进行写操作会产生页故障。
AM（Alignment
Mask）对齐标志，AM=1时，允许对齐检查，AM=0时不允许，关于对齐，在EFLAGS的AC标志时介绍过，在80486以后的CPU中，CPU进行对齐检查需要满足三个条件，AC=1、AM=1并且当前特权级为3。
NW（Not Write-through）和CD（Cache
Disable），这两个标志都是用来控制CPU内部的CACHE的，当NW=0且CD=0时，CACHE使能，其它的组合说起来比较复杂，如果有读者真的想搞清楚的话，可以参阅《Intel?
64 and IA-32 Architectures》中的“Software Developer’s Manual Volume
3A”这一册，在第10章对这两个标志的各种组合有比较详细的说明。

CR1保留未用；CR2存放引起页故障的线性地址，只有在PG=1时，CR2才有效，当页故障处理程序被激活时，压入页故障处理程序堆栈中的错误码提供页故障的状态信息。

CR3的bit12–bit31存放页目录的基地址，因为也目录总是页对齐的（一页为4K），所以页目录基地址从bit12开始就可以了。只有当CR0中的PG=1时，CR3的页目录基地址才有效。
从80486开始，在CR3的低12位定义了两个控制位，如下：

PCD（Page-level Cache
Disable）页CACHE禁止，当PCD=0时，页目录表进行高速缓存，PCD=1时，不进行高速缓存；该位控制PCD引脚控制外部CACHE工作还是不工作。
PWT（Page-level Writes
Transparent），CACHE的写入分为透写（Write-Through）和回写（Write-Back）,80486以上的CPU内部的CACHE都是透写的，但对外部CACHE而言，允许某些页是回写的，而另一些页是透写的，当PWT=1时，外部CACHE对页目录进行透写，否则进行回写；此位驱动PWT引脚以控制外部CACHE是透写还是回写。

CR4是从Pentium CPU开始出现的。
VME（Virtual-8086 Mode
Extensions）虚拟8086方式扩展，VME=1允许使用虚拟8086扩展模式，否则只能使用80386/80486的虚拟8086模式。
PVI（Protected-Mode Virtual
Interrupts）保护模式虚拟中断，PVI=1时，在保护模式下支持虚拟中断标志VIF(EFLAGS中)，PVI=0则不支持虚拟中断标志。
TSD（Time Stamp
Disable）时间戳禁止，TSD=1时，允许在特权级为0的程序中执行RDTSC指令（读时间戳计数指令），TSD=0时，允许任何特权级执行RDTSC指令。
DE（Debugging Extensions）调试扩展，
PSE（Page Size
Extensions）页大小扩展，PSE=1时，页大小可以扩展到2M或4M，PSE=0时，页大小只能是4K.
PAE（Physical Address
Extension）物理地址扩展，PAE=1时，页物理地址可以扩展到36bits以上，PAE=0时只能用32bits的物理地址。
MCE（Machine-Check
Enable）硬件检查使能，Pentium以后的CPU有一种硬件检测功能，MCE=1时允许使用该功能。
PGE（Page Global
Enable）全局页使能，PGE=1时，允许使用全局页，PGE=0时禁止使用全局页。
PCE（Performance-Monitoring Counter
Enable）性能监视计数器使能，当PCE=1时，允许在任何保护级下执行RDPMC指令，PCE=0时，只有特权级0的程序可以执行RDPMC指令。
OSFXSR（Operating System Support for FXSAVE and FXRSTOR instructions）
OSXMMEXCPT（Operating System Support for Unmasked SIMD Floating-Point
Exceptions）
VMXE（VMX-Enable Bit）VMX使能位，VMXE=1时，允许VMX操作。
SMXE（SMX-Enable Bit）SMX使能位，SMXE=1时，允许SMX操作。
OSXSAVE（XSAVE and Processor Extended States-Enable Bit）