Linux内核之X86系统寄存器（初始化系统，控制系统操作）

　　一、系统寄存器
　　1。EFLAGS寄存器
　　存放systemflags和IOPL；
　　控制任务切换和模式切换，处理终端，指令追踪；
　　2。控制寄存器（CR0，CR2，CR3，CR4）
　　控制系统级操作；
　　支撑操作系统某些特性；
　　3。GDTRLDTRIDTR
　　记录了GDTLDTIDT表的线性基址和大小；
　　4。任务寄存器（taskregister）
　　当前任务的线性地址；
　　当前任务TSS的的大小；
　　5。Modelspecificregisters（MSRs）
　　主要用于操作系统或程序执行过程；
　　6。调试寄存器（debugregisters）（DR0DR7）：用于设置断点
　　注：多数系统限制应用程序对系统寄存器的访问（除了EFLAGS）；程序运行在特权级0时，可以更新系统寄存器的值；
　　7。IA32e（64位扩展技术）GDTRLDTRTR被扩充到64EFLAGES扩充为RFLAGS；CROCR4被扩充到64控制IA32emode指令的MSRs
　　（1）IA32KernelGSbase
　　（2）IA32LSTAR
　　（3）IA32SYSCALLFLAGMASK
　　（4）IA32STARCS
　　需要的小伙伴私信内核领取二、内存管理相关的寄存器（GDTR，LDTR，IDTRTR）
　　1。GDTR（GlobalDescriptorTableRegister，全局符号表寄存器）
　　（1）基址（保护模式：32位；IA32e模式：64bits）GDT表最大size（16bit），基址是全局符号表GDT的地址；
　　（2）LGDT、SGDT分别load和storeGDTR寄存器；
　　（3）计算机刚启动或者处理器重置之后，基址被设置为0，limit设置为0FFFFH；设置基址的值是保护模式下初始化处理器的一部分；
　　2。LDTR（LocalDescriptorTableRegister，本地符号表寄存器）
　　（1）段选择器（16bits）基址（保护模式：32IA32e模式：64bits）segmentLimitLDT的属性；基址是LDT表的基础地址，SegmentLimit表明了段字节数目；
　　（2）LLDT和SLDT指令分别load和storeLDTR寄存器；GDT中存在LDT表的段描述符，LLDT指令loadsegmentselector到LDTR时，基址和LDT属性也自动被load到LDTR中；
　　（3）任务切换时，新任务的段选择器、段基址、LDT表属性会自动被加载到LDTR中；
　　（4）计算机上电或者处理器重置时，LDTR中的segmentselector、baseaddress分别被置为0和0FFFFH
　　3。IDTR（InterruptDescriptorTableRegister，中断符号表寄存器）
　　（1）baseaddress（保护模式：32IA32e模式：64bits）tablelimit（16bit），基址指定了IDT表的地址，tablelimit说明了IDT表的大小；
　　（2）LIDT和SIDT命令分别负责IDTR寄存器的loadstore操作；
　　（3）计算机刚上电或者处理器reset时，基址设置为0，limit设置为0FFFFH；LDTR初始化是处理器初始化的一部分；
　　4。TR（TaskRegister，任务寄存器）
　　（1）segmentselector（16bit，段选择器）baseaddress（保护模式：32位；IA32e模式：64bits）segmentlimit当前任务TSS段属性描述符；（基址是TSS段基址；segmentlimit限制了TSS大小）
　　（2）GDT表中记录了TSS段描述符；
　　（3）LTR和STR分别负责TR寄存器的load和store操作；计算机上电或者处理器重置时，baseaddress置为0，segmentlimit设置为0FFFFH；
　　（4）发生任务切换时，自动调用LTR，将新任务的段选择器、基址、描述等load到TR寄存器中；三、控制寄存器（CR0CR4，CR8）
　　1。一般约定
　　（1）CRO和CR4的3263bit预留，必须全为0；CR0和CR4高32位任意一位非0会触发
　　（2）CR2的所有64bits均可被软件读写；
　　（3）CR3的40bit51bit预留，必须为0；
　　（4）CR8仅仅在64bit模式下可以使用；
　　2。控制寄存器CR0：systemcontrolflags，控制操作模式和处理器状态；CR1：预留CR2：pagefault线性地址（导致页错误的线性地址）CR3：页全局目录的地址PCDPWT（控制页表在cache中的缓存），使用物理地址扩展时，CR3寄存器包含页表目录表的指针；IA32e模式下，CR3寄存器记录PML4表的基址；CR4：包括系统扩展相关的通过mov指令读写该寄存器的值；CR8：提供对TaskPriorityRegister（TPR）寄存器的读写访问；64bit模式下才可以使用；指定了操作系统用来控制可中断处理器的外部中断级别；
　　3。控制寄存器中的标识PG（bit31ofCR0）：Paging，置位：启动分页机制；清除：disable分页机制，所有线性地址作为物理地址；当PE没有置位时，PGflag没有效果；PGflag设置，PEflag没有置位时，会导致CD（bit30ofCR0）：CacheDisable，当CD和NWflags被清0时，启用cache机制（可以缓存整个内存系统数据）；CD标识设置后，缓存满足一下限定表；CDflags置位后，处理器不可访问访问、更新NW（bit29ofCR0）：NotWriteThrough，NW和CDflags被清零，启用writeback或者writethrough，AM（bit18ofCR0）：AlignmentMask，启用自动对齐校验设置；清零，不支持自动地址对齐校验；置位，自动进行地址对齐校验；WP（bit16ofCR0）：writeprotect，置位：禁止处于超级权限的进程向只读pages写入数据；清零：允许超级权限进程向只读pages写入数据；支持LInux系统以copyonwrite的方法创建进程；NE（bit5ofCR0）：NumericError，置位：提供报告X87浮点运算单元错误；清零：enablesPCStyleX87FPUNEflag被清零IGNNEinput被断言，X87FPUerrors被忽略；NEflag被清零IGNNE断言错误，unmaskedx87FPUerrors导致处理器assertFERRpin，产生外部中断，立刻终止指令执行；ET（bit4ofCR0）：ExtensionType，奔腾4、IntelXeon、P6famil和奔腾处理器中保留该位；该位被硬编码为1；Intel386和Intel486处理器中，flag被置位后表明支持Intel387DX数学协处理器指令集；TS（bit3ofCR0）：TaskSwitched，允许X87FPUMMXSSESSE2SSE3SSE4上下文转换推迟到新任务真正需要FPUMMXSSESSE2SSE3SSE4时；EM（bit2ofCR0）：EmulationMP（bit1ofCR0）：MonitorCoprocessorPE（bit0ofCR0）：ProtectionEnablePCD（bit4ofCR3）：PagelevelCacheDisable，控制访问页全局目录的方式；disable分页基址或者PAE分页模式下、IA32e模式下，CR4。PCIDE1，该位不被使用；PWT（bit3ofCR3）：PageLevelWriteThrough，控制访问页全局目录的方式；VME（bit0ofCR4）：Virtual8086ModeExtension，置位后，允许在virtual8086模式下处理中断和异常，由于避免了通过virtual8086monitor处理异常和中断的开销，因而可以提高应用的性能；PVI（bit1ofCR4）：ProtectedModeVirtualInterrupts，置位：为Virtualinterruptflag（VIF）提供了硬件支持；清零，不支持VIF；TSD（bit2ofCR4）：TimeStampDisable，置位，限制特权级0下使用RDTSC指令；清零后，允许在任何特权级执行RDTSC指令；DE（bit3ofCR4）：DebuggingExtension，置位后，使用调试寄存器DR4和DR5会引发undefinedopcode的异常；清零，处理器依靠使用DR4和DR5兼容早期IA32处理器；PSE（bit4ofCR4）：PageSizeExtension，置位后，enable4MB清零后，页基本大小4KB；PAE（bit5ofCR4）：PhysicalAddressExtension，置位后，允许分页过程中产生大于32bit的地址（页框号）；清零后，页号必须不大于32IA32e模式下必须激活PAEMCE（bit6ofCR4）：machinecheckenable，置位后，启用机器校验；清零后，PGE（bit7ofCR4）：PageGlobalEnable，第六代处理器中引入；置位后，启用清零后，globalpagefeature允许经常使用的pages或者共享pages被标记为上下文任务切换或者写寄存器CR3时，globalpages不从TLB中flush出去；PCE（bit8ofCR4）：PerformanceMonitoringCounterEnable，置位，允许在任何保护级别执行RDPMC指令；清零，RDPMC指令仅仅可以在特权级0执行；OSFXSR（bit9ofCR4）：OperatingSystemSupportforFXSAVEandFXRSTORinstruction，置位：（1）表明操作系统支持指令FXSAVE和FXRSTOR；（2）FXSAVE和FXSTORE指令分别用来保存和恢复寄存器X87FPU、XMM、MXCSR和MMX的内容；（3）处理器执行SSESSE2SSE3SSSE3SSE4指令时会抛出PAUSE，PREFETCHh，SFENCE，LFENCE，MFENCE，MOVNTI，CLFLUSH，CRC32，POPCNT异常OSXMMEXCPT（bit10ofCR4）：OperatingSystemSupportforUnmaskedSIMDFloatingPointException，置位：表明操作系统支持unmaskedSIMD浮点Exception的执行；SIMDfloatingpoint异常仅仅会由SSESSE3SSE2SSE4SIMD浮点指令产生；VMXE（bit13ofCR4）：VMXEnabledbit，置位后启用VMX操作；SMXE（bit14ofCR4）：SMXEnabledBit，置位后启用SMX操作；FSGSBASE（bit16ofCR4）：FSGSBASEEnableBit，置位后启用RDFSBASE，RDGSBASE，WRFSBASE和WRGSBASE指令；PCIDE（bit17ofCR4）：PCIDEnableBit，置位后启用processcontextidentifiers（PCIDs）；OSXSAVE（bit18ofCR4）：XSAVEandProcessorExtendedStatsEnableBit，置位：（1）表明操作系统支持普通软件使用XGETBV，XSAVE和XRSTOR指令；（2）启用XSAVE和XRSTOR指令保存或恢复X87FPU寄存器和SSE寄存器状态以及其他XCR0状态；（3）启用可读写XCR0的XGETBV和XSETBV指令；SMEP（bit20ofCR4）：SMEPEnableBit，置位：禁止在监督模式下执行指令；SMAP（bit21ofCR4）：SMAPEnableBit，置位：禁止在监督模式下访存PKE（bit22ofCR4）：ProtectionKeyEnableBit，IA32e分页基址中，允许为每个线性地址分配一个PKRU寄存器内的值表明用户模式下带有protectionkey的线性地址是否可被读或被写；RDPKRU和WRPKRU指令分别读写寄存器PKRU的值；TPL（bit3：0ofCR8）：TaskPriorityLevel，设置中断可以被阻塞的优先级阈值，0表示所有中断均15表示中断特权disabled四、SegmentRegisterCS存放代码段基址；SS寄存器存放堆栈段基址；DSESFSGS寄存器存放数据段基址；
　　注：codesegment被设置为ReadOnlyS64bit模式下，分段一般是disabled的，处理器将CSDSESSS值设置为0；五、EFLAGS寄存器中系统标志
　　控制IO，可屏蔽硬件中断、调试、任务切换，支持virtual8086TF（8）：Trap，置位，启用单步调试；清除，disable单步调试；IF（9）：Interruptenable，控制置位，响应可屏蔽硬件中断；清零，禁止可屏蔽中断；该位不影响不可屏蔽中断（NMI）；IOPL（12，13bit）：IOprivilegelevelfiled（IO特权级），表明当前正在运行任务的IO特权级，当前运行程序的特权级必须不大于IOPL；当且仅当当前特权级为0时，POPF和IRET指令可以更新该域；NT（14bit）：Nestedtask，控制嵌套中断和嵌套任务；RF（16bit）：Resume，控制处理器对指令中断的相应；置位，清零，中断条件满足时，产生VM（17bit）：置位，启用virtual8086清除，返回到AC（18bit）：alignmentcheckoraccesscontrol，置位：AMbit通过CR0置位时，对齐检查和用户模式下数据访问启用，访问非对齐地址时，会产生可用来检查数据是否对齐，VIF（19bit）：VirtualInterrupt，当VMEflagorPVIflag在CR4中置位，或者IOPL小于3时，处理器才可以识别VIPVIP（20bit）：VirutalInterruptPending，置位，中断正在执行；清零，无中断正在运行；该标志和VIF标识结合使用，处理器读取该标志，但从来不更新该标志；当VMEflagorPVIflag在CR4中置位，或者IOPL小于3时，处理器才可以识别VIPID（21bit）：Identification，表明是否支持CPUID指令；
　　原文作者：cyjhaiou
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