微处理器结构及其特点.ppt

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1、第八章 80286 微处理器结构及其特点 第八章 80286 微处理器结构及其特点 8.1 80286微处理器结构概述 8.2 80286微处理器的指令设置 8.3 虚拟地址变换和存贮器管理 8.4 描述符 8.5 保护机构和控制转移 8.6 任务切换 8.7 中断 8.8 80286总线及系统初始化 第八章 80286 微处理器结构及其特点 8-1 80286微处理器结构概述 一、实模式和保护模式80286具 有 两 种 工 作 模 式。第 一 种 是 仿 真8086的 实模 式(或 称 实 地 址 模 式)。另 一 种 是80286新 增 加 的,功能非常强的保护模式(或称保护虚拟地址模式

2、)。实 模 式 工 作 的80286,实 质 上 是 兼 容8086的 高 速 型 工作模式。第八章 80286 微处理器结构及其特点 二、80286的内部结构8086微 处 理 器 内 部 由 执 行 单 元 和 总 线 接 口 单 元 两大 部 分 组 成。而80286 恰 好 与 此 不 同,它 由 总 线 单 元、指 令 单 元、执 行 单 元 及 地 址 单 元4大 部 分 组 成。这 些 单元 可 以 同 步 地 并 行 工 作,实 现 流 水 线 作 业,避 免 了 传 统的 顺 序 处 理 方 式,最 大 限 度 地 发 挥 了 处 理 器 的 性 能,从而 使 总 线 的 利

3、 用 率 处 于 最 佳 状 态。80286内 部 结 构 框 图崐如图8-1 所示。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-180286 的内部结构框图第八章 80286 微处理器结构及其特点 1.总线单元(BUSUnit:BU)总 线 单 元 生 成 存 贮 器 及I/O 请 求 所 必 须 的 地 址、数据、指 令 信 号,并 执 行CPU 的 所 有 总 线 操 作。另 外,总线单元还控制与80287浮点处理器的接口。2.指令单元(InstructionUnit:IU)指 令 单 元 从 预 取 队 列 中 按 字 节 取 出 指 令 代 码,并 进行 译 码。译 码 后 的

4、指 令 以69位 的 内 部 格 式 展 开,然 后 放入能容纳3个指令的译码缓冲器(69 位3)中。第八章 80286 微处理器结构及其特点 3.执行单元(ExecutionUnit:EU)在 执 行 单 元 中,除ALU 外,还 包 括1536字35 位(约54000位)的 微 代 码ROM,寄 存 器 阵 列,中 断 控 制 电 路 及向 段 寄 存 器 装 载 时 的 测 试 电 路 等。这 些 电 路 能 保 证 有效地执行已被译码的命令。4.地址单元(AddressUnit:AU)在 地 址 单 元 中,由 偏 移 量 加 法 器 进 行 有 效 偏 移 地 址计 算 时,要 对

5、其 偏 移 量 的 段 界 限 进 行 检 查,并 且 还 要 对段 的 存 取 权 进 行 检 查,最 后 才 进 行 从 虚 拟 地 址 到 物 理 地址的转换。第八章 80286 微处理器结构及其特点 三、流水线作业的高速总线周期80286与8086时分总线不同,它的地址总线和数据总线相互独立。在一个总线周期中,当有效数据置于数据总线上时,下一个总线的地址已开始输出到地址总线上,从而实现流水线作业的总线周期方式。另外,8086的总线周期基本上由T1、T2、T3、T44个时钟周期构成,而80286的总线周期基本上由TS(SendStatus)和TC(PerformCommand)两个时钟周

6、期来实现。第八章 80286 微处理器结构及其特点 在图8-2 中示出了在假定存取时间完全相同情况下,80286的总线周期和以往的CPU 的总线周期相比,采用流水线作业后,其性能是怎样提高的。当然图8-2 中的定时关系完全是概略的,不是正确的定时关系。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-280286 总线周期和以往CPU 总线周期的比较第八章 80286 微处理器结构及其特点 四、内部寄存器的设置在8086内 部 寄 存 器 设 置 的 基 础 上,为 了 适 应 保 护 模式 的 需 要,80286增 加 了 几 个 寄 存 器。在 图8-3 中 示 出 了80286的寄存器设置

7、情况。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-380286 内部寄存器设置第八章 80286 微处理器结构及其特点 由图8-3 可知,80286内部寄存器可以分成四类:通用寄存器;状态控制寄存器;段寄存器;系统表寄存器。第八章 80286 微处理器结构及其特点 首先是通用寄存器,它们的设置和8086一样,共有8个16位的寄存器,即AX,BX,CX,DX,BP,SP,SI,DI。在状态控制寄存器中,又可分成三个:IP(InstructionPointer);标志寄存器MSW。标志寄存器及MSW(处理器状态字)的设置情况如图8-4 所示。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-48

8、0286 标志寄存器及MSW 设置情况第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-3(d)中 的 系 统 表 寄 存 器,是 为 了 管 理 保 护 模 式下的四个系统表而设置的。这四个系统表是:GDT(GlobalDescriptorTable:全局描述符表);IDT(InterruptDescriptorTable:中断描述符表);LDT(LocalDescriptorTable:局部描述符表);TSS(TaskStateSegment:任务状态段)。第八章 80286 微处理器结构及其特点 8-2 80286微处理器的指令设置 一、按处理器级别进行分类80286的 指 令 设 置,如

9、 从 处 理 器 级 别 来 看,如 图8-5 所示,有三个台阶,可以分成三类:8086的指令设置;80186增加的扩充指令设置;只 能 允 许80286使 用 的 系 统 控 制 指 令 和 存 取 权 操作指令第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-580286 指令设置的台阶第八章 80286 微处理器结构及其特点 1.扩充指令设置80286中属于扩充的指令主要有:8位立即数操作的移位/循环指令;16位寄存器/存贮器操作和8/16 位立即数的带符号乘法,其积存入16位寄存器的IMUL 指令;对立即数操作的PUSH 指令;8个通用寄存器可以一次压入/弹出的PUSHA/POPA 指令

10、;I/O 与存贮器之间可以进行数据块传送的INS/OUTS 指令;第八章 80286 微处理器结构及其特点 保 护 主 程 序 堆 栈 指 示 器,生 成 新 的 堆 栈 区 及 工 作区的ENTER 指令;释 放 由ENTER 指 令 生 成 的 堆 栈 区 或 工 作 区,恢复主程序堆栈指示器的LEA VE 指令;8检查数组索引是否在指定范围内的指令BOUND。第八章 80286 微处理器结构及其特点 2.系统控制及存取权操作指令设置下 面 所 列 出 的 指 令,是 为 了 在 保 护 模 式 中 对 系 统 表及系统状态进行控制和进行段存取操作而设置的。(1)系统控制命令设置首 先 是

11、 系 统 表 操 作 命 令。由 于 在 保 护 模 式 中 有 四 个系 统 表 寄 存 器,即GDTR、IDTR、LDTR、TR。因 此 配备了相应的装入及存贮指令。第八章 80286 微处理器结构及其特点 LGDT/SGDT(LoadGDTR/StoreGDTR)装 入和存贮全局描述符表寄存器指令;LIDT/SIDT(Load IDTR/Store IDTR)装 入 和存贮中断描述符表寄存器指令;LLDT/SLDT(LoadLDTR/StoreLDTR)装 入和存贮局部描述符表寄存器指令;LTR/STR(LoadTR/StoreTR)装入和存贮任务状态段指令。第八章 80286 微处理器

12、结构及其特点 另 一 种 是 系 统 状 态 控 制 指 令。它 们 是 装 入/存 贮MSW 指令及清除MSW 中的TS 位指令。LMSW/SMSW(LoadMSW/StoreMSW)装 入和存贮MSW 指令;CLTS(Clear Task Switched Flag)清 除MSW中的TS 位指令。这三条指令在实模式中同样也是有效的。第八章 80286 微处理器结构及其特点(2)存取权操作指令设置虽然80286在工作中可以由硬件对段的存取权进行自动的检查,但是,还准备了进一步强化该功能的软件检查指令。这些指令的详细内容,在后面章节中再作说明,这里只作一概要归纳。第八章 80286 微处理器结

13、构及其特点 ARPL(AdjustRPLfieldofselector)禁止使用不正确的段参数;VERR/VERW(VERifyasegmentforReading/Writing)段读/写权的检查;LSL(LoadSegmentLimit)段界限的取出;LAR(LoadRightsbyte)存取权字节的取出。第八章 80286 微处理器结构及其特点 二、按特权级进行分类除 英 特 尔 公 司 以 外,几 乎 所 有 的 其 它 公 司 生 产 的16位 及32位 微 处 理 器 中,都 有 两 种 不 同 的 软 件 执 行 模 式,即 管 理 模 式(系 统 模 式)和 用 户 模 式(正

14、 常 模 式)。所 谓管 理 模 式,就 是 系 统 处 于 执 行 系 统 程 序 的 状 态;所 谓 用户 模 式 就 是 系 统 处 于 执 行 用 户 程 序 的 状 态。在 系 统 中系 统 程 序 和 用 户 程 序 是 分 离 的,存 放 于 不 同 的 存 贮 空 间之 中,分 别 处 于 二 种 不 同 的 级 别。这 样 就 可 以 避 免 用 户程序对系统程序区的错误操作。第八章 80286 微处理器结构及其特点 在8086的 系 统 中,由 于 系 统 程 序 和 用 户 程 序 是 放 在一 起 的,同 属 一 个 级 别,因 此 用 户 程 序 运 行 中 就 有

15、可 能破 坏 系 统 程 序。80286 的 保 护 模 式 就 改 善 了 这 样 的 系 统环境,如图8-6 所示,不是2级而是扩展到4级。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-64 级特权保护结构示意图第八章 80286 微处理器结构及其特点 另一方面,虽然I/O 空间是各任务共有的,可共同使用64K 字节的I/O 空间。但是,每个任务对I/O 的存取操作的最大特权级是可以规定的,决定这个特权级的是标志寄存器新增加的IOPL 域(I/O 特权域),共有2位。与这2位的值(从03)比较,现行程序的特权级低时,就禁止现行程序对I/O 进行操作。“现行程序的特权级别”简称为CPL(C

16、urrentPrivilegeLevel)。第八章 80286 微处理器结构及其特点 1.非特权级指令与CPL 及IOPL 的值无关的指令,都属于这类指令。2.信任指令(trustedinstructionset)这 类 指 令 只 是 在CPLIOPL 时 才 能 执 行 的 指 令。在CPL IOPL 的 情 况,如 果 执 行 这 类 指 令 就 会 产 生13类 中断(一般保护异常中断)。信任指令有以下几条。IN/OUT;INS/OUTS;CLI/STI;LOCK。第八章 80286 微处理器结构及其特点 3.特权指令(privilegedinstructionset)这 类 指 令

17、只 有 在CPL=0 情 况 下 才 能 执 行,即 特 权 级为0的 可 靠 性 最 高 的 程 序(通 常 是 操 作 系 统 的 内 核)才 能使 用。如 果 特 权 级 不 为0的 程 序 使 用 了 这 些 指 令,就 会产生13类中断(一般保护异常中断)。其特权指令如下:第八章 80286 微处理器结构及其特点 LGDT;LIDT;LLDT;LTR;LMSW;CLTS;HLT。第八章 80286 微处理器结构及其特点 8-3 虚拟地址变换和存贮器管理 一、80286虚拟存贮的概述在8086情 况 下,从 程 序 的 角 度 来 看,逻 辑 地 址 空 间(软 件 上 的 空 间)和

18、 实 际 物 理 地 址 空 间(硬 件 上 的 空 间),最大为1M 字节。第八章 80286 微处理器结构及其特点 在 保 护 模 式 下 的 虚 拟 存 贮 系 统 中,16M 字 节 实 存 贮器 装 不 下 的 那 些 程 序 段(一 段 为64K 字 节 以 下,长 度 可 变),可 以 以 文 件 形 式 存 于 外 部 高 速 存 贮 器 中,如 硬 磁 盘、光盘等。由 于 在 程 序 中 可 以 使 用 当 前 在 实 存 中 不 存 在 的 逻辑 地 址,因 此,通 常 把 逻 辑 地 址 称 为 虚 拟 地 址。在 应 用程 序 中,程 序 员 只 需 参 照 虚 拟 地

19、 址,而 无 需 关 心 系 统 是如 何 对 物 理 地 址 进 行 操 作 的。当 然,外 存 贮 器 容 量 愈 大,虚拟地址也可以扩至更大。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-7 虚拟地址至实地址的变换示意图第八章 80286 微处理器结构及其特点 二、根据描述符表进行虚拟地址变换在8086中,对1M 字 节 的 实 存 空 间 进 行 寻 址 时,其 地址 是 这 样 产 生 的,即 将16位 段 寄 存 器 的 内 容 左 移4位,形成20位 的 段 基 地 址,再 加 上16位 的 偏 移 地 址,最 后 就 得到 要 寻 址 的 地 址。80286的 实 模 式 与

20、 上 述 情 况 完 全 一 样。只 是8086中 的 段 寄 存 器 对 应 于8028664位 段 寄 存 器 中 的选 择 器 域(16 位)。另 外,在 这 种 情 况 下 一 个 段 的 物 理 尺寸为64K 字节,是固定不变的。第八章 80286 微处理器结构及其特点 在 保 护 模 式 中,80286 的 段 寄 存 器 的 选 择 器 域 的 作用,尽 管 也 是 用 来 指 定 一 个 段 的 存 贮 空 间。但 是,选 择器 域 的 值 作 为 一 个 指 示 器,将 指 向 描 述 符 表 的 表 地 址,经 查 表 再 间 接 地 确 定 实 存 上 的 段 地 址。图

21、8-8 对 二 种 工作 模 式 下 的 寻 址 情 况 作 了 比 较。图8-9 示 出 了 保 护 模 式下的段选择器的格式。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-8 实模式和保护模式寻址比较第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-9 段选择器的格式第八章 80286 微处理器结构及其特点 在 图 8-9 中,最 低 2位 的 RPL(Requested PrivilegeLevel)域不作虚拟地址变换,用于特权级间的保护检查。段 选 择 器 余 下 的14位(TI 位 和 索 引 域)能 够 用 来 选择 虚 拟 地 址 空 间 的 一 个 段。这 样,虚 拟 地 址

22、空 间 可 有214个 段。由 于 段 偏 移 量 为16位,一 个 段 的 最 大 尺 寸 为64K 字 节,因 此 虚 拟 地 址 的 最 大 空 间 应 为214216=230(字节),即为1G 字节。上 述 的1G 字 节 虚 拟 地 址 空 间 再 一 分 为 二,各 自 分配 作 全 局 地 址 空 间 和 局 部 地 址 空 间(每 个 部 分 为213个段)。第八章 80286 微处理器结构及其特点 全 局 地 址 空 间 由 所 有 任 务 共 享,这 样 就 避 免 了 相 同功 能 的 系 统 服 务 程 序 在 各 任 务 中 重 复 出 现,使 数 据 共 享和 中

23、断 处 理 控 制 变 得 更 容 易。因 此,在 全 局 地 址 空 间 中可 以 放 置 操 作 系 统 软 件、库 程 序、可 公 共 调 用 的 系 统服务程序过程及数据等。局 部 地 址 空 间 是 每 个 任 务 独 立 的 地 址 空 间,它 放 置各 任 务 固 有 的 代 码 和 数 据。这 样 做 能 使 各 任 务 的 虚 拟地址空间分离,如图8-10 所示。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-10 全局和局部地址空间示意图第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-11 用描述符表进行从虚拟地址到实地址的变换第八章 80286 微处理器结构及其特点 描

24、述 符 的 种 类 很 多,如 果 用 段 选 择 器 来 选 择 代 码/数据 段 描 述 符 时,那 么 一 个 段 物 理 地 址 信 息(即 段 基 地 址24位 和 界 限16位)就 随 之 被 确 定 下 来 了。这 时,实 存 中 所 指定 段 内 的 某 一 个 地 址 就 由 段 的 基 地 址 和16位 的 偏 移 地 址所 决 定。这 样 一 来,1G 字 节 的 虚 拟 地 址 空 间 就 变 换 成 了16M 字节的实地址空间,这个变换过程如图8-12 所示。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-12 从虚拟地址至实地址的变换示意图第八章 80286 微处理

25、器结构及其特点 1.段地址变换寄存器在 保 护 模 式 中,每 次 段 内 操 作 都 要 通 过 实 存 中 的 描述 符,将 虚 拟 地 址 变 换 成 实 存 的 物 理 地 址。这 样 做 系 统开 销 太 大,很 难 在 实 际 中 应 用。为 此,在 装 载 段 寄 存 器时,段 选 择 器 所 选 择 的 描 述 符 的6个 字 节(48 位)有 效 信息,也 自 动 地 装 入 到80286内 部 的 段 寄 存 器 高 速 缓 冲 器域(48 位)。此 后,在 段 内 进 行 存 取 操 作 时,就 可 以 使 用高 速 缓 冲 器 域 的 值 进 行 高 速 的 虚 拟 地

26、 址 变 换。通 常,段寄 存 器 变 更 总 是 不 太 频 繁 的,所 以 采 用 段 高 速 缓 冲 器 的方 法 是 非 常 有 效 的。在 图8-13 中 表 示 了 使 用 段 高 速 缓冲器进行虚拟地址变换的过程。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-13 利用段高速缓冲器进行虚拟地址变换的过程第八章 80286 微处理器结构及其特点 2.描述符表寄存器描 述 符 表 寄 存 器 有 三 种,即GDTR、IDTR、LDTR,它们分别与GDT、IDT、LDT 相对应,如图8-14 所示。GDTR 是 存 放GDT 的 基 地 址(24 位)、界 限(16 位)的40位 寄

27、 存 器。根 据GDT 的 界 限 规 定,系 统 禁 止 超 出GDT界限范围的存取操作。GDTR 用LGDT 指令将存贮器中的6个连续字节装载其中,从而完成初始化操作。IDTR 的初始化和GDTR 完全相似,LIDT/SIDT 是IDTR 的装载和存贮指令,其各自操作情况与LGDT/SGDT 相同,如图8-15 所示。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-14 描述符表寄存器第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-15GDTR 和IDTR 的操作第八章 80286 微处理器结构及其特点 8-4 描 述 符 一、描述符的分类描 述 符 表 内 所 包 含 的 描 述 符 如

28、 表8-1 所 示。如 按 大类 来 分,可 以 分 为 段 描 述 符 和 控 制 门 描 述 符。段 描 述 符再 进 一 步 细 分,还 可 分 为 一 般 的 段(代 码 段 和 数 据 段 的描 述 符)和 特 殊 段(与LDT 和TSS 有 关 的LDT 描 述 符 和TSS 描述符)。第八章 80286 微处理器结构及其特点 表8-1 描述符分类第八章 80286 微处理器结构及其特点 控制门描述符有以下4种:控制门;任务门;中断门;陷井门。第八章 80286 微处理器结构及其特点 表8-2 在描述符表中可配置的描述符种类第八章 80286 微处理器结构及其特点 二、段描述符段描

29、述符有一般段描述符和特殊段描述符两种。它们最前面的2个字节为段界限,接着三个字节为段基地址。再后面一个字节就是描述符的存取权字节,其中位4的S位为段分类标志位。若S=1,则该描述符为一般段描述符;若S=0,则为特殊段描述符(门描述符的S 位也应为0)。第八章 80286 微处理器结构及其特点 1.一般段描述符一 般 段 描 述 符 分 为 代 码 段 描 述 符(图8-16(a)和 数 据段 描 述 符(图 8-16(b),两 者 用 存 取 权 字 节 的 位 3 E 位(Executable:可 执 行)的 值 加 以 区 分。若E=1,则 该 描 述符为代码段描述符;否则,E=0 则为数

30、据段描述符。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-16 一般段描述符(a)代码段描述符;(b)数据段描述符第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-172 类数据段的结构第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-18 段寄存器,代码/数据段描述符及代码/数据段之间的关系第八章 80286 微处理器结构及其特点 表8-3 可装入段寄存器的描述符种类第八章 80286 微处理器结构及其特点 2.特殊段描述符特 殊 段 描 述 符 如 图8-19 所 示,可 分 成LDT 描 述 符 和TSS 描 述 符。这2个 描 述 符 的 存 取 权 字 节 的 位4(S 位)都是“”。

31、另 外,若 存 取 权 字 节 的 低4位 的 值 为2,表 示 该描 述 符 为LDT 描 述 符;若 低4位 的 值 是1或3,则 该 描 述 符为TSS 描 述 符。因 此,所 谓 特 殊 段,即 是 指LDT 或TSS 段。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-19 特殊段描述符(a)LDT 描述符(2 类型);(b)TSS描述符(1 或3类型)第八章 80286 微处理器结构及其特点 LDT 已经说明,有关TSS 的情况将在任务切换章节中说明。需要指出的是TSS 描述符所指定的段是一个由44个字节组成的任务状态段,在这个段中存放着的是各任务执行时的CPU 寄存器内容。每个任

32、务都有自己的LDT 和TSS,随着任务的切换,LDT 和TSS 也将自动地更新。这时新任务的LDT 描述符和TSS 描述符被自动地装载到LDTR 和TR 的高速缓冲器域。第八章 80286 微处理器结构及其特点 GDT 和IDT 虽然也是特殊段,但是由于它们是所有任务共享的,在系统中分别只有一个。为此,不需要有指定它们的描述符。这样,在GDTR 和IDTR 中就没有设置选择器域。LDT/TSS 描述符的最前面的两个字节是LDT/TSS 的界限,接着3个字节是LDT/TSS 的基地址。由于TSS 的尺寸为44个字节,所以TSS 描述符的界限域值必须大于43。在 图8-20 中 表 示 了LDTR

33、、LDT 描 述 符 及LDT 的 关 系。另 外,在 图8-21 中 还 表 示 了TR、TSS 描 述 符 及TSS 的 关 系。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-20LDTR、LDT 描述符及LDT 的关系第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-21TR、TSS 描述符及TSS 的关系第八章 80286 微处理器结构及其特点 三、门描述符门 描 述 符(以 下 只 简 称 为 门)如 图8-22 所 示,有 在 同一 任 务 内 进 行 控 制 转 移 用 的 调 用/中 断/陷 井 门 及 任 务间 进 作 控 制 转 移 的 任 务 门。使 用 这 些 门,可

34、以 使 处 理 器转 向 执 行 另 外 的 程 序。在 用 程 序 访 问 门 时,只 使 用 虚 拟地 址 的 选 择 器,而 忽 略 地 址 偏 移 量,因 为 门 描 述 符 是 一个特殊的段。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-22 门描述符(a)调用门描述符(类型4);(b)任务门描述符(类型5)(c)中断门描述符(类型6);(d)陷井门描述符(类型7)第八章 80286 微处理器结构及其特点 表8-4 各类描述符的构成第八章 80286 微处理器结构及其特点 8-5 保护机构和控制转移 一、保护机构的分类80286的保护机构可以分为如下三类。1.段属性和界限保护根 据

35、 对 段 属 性(只 执 行,可 读,只 读,可 写)和 界 限 的检查,禁止不正确的段操作。第八章 80286 微处理器结构及其特点 2.特权级之间的保护最 多 可 使 用4个 特 权 级,使 得OS 等 系 统 程 序 和 应 用程 序 明 确 分 开。为 了 支 持 这 种 功 能,准 备 了 三 个 特 权 级参数(DPL、CPL、RPL)及门。3.任务间的保护每 个 任 务 都 可 以 使 用 由LDT 所 定 义 的 专 用 局 部 虚拟 地 址 空 间,防 止 带 有 错 误 的 应 用 任 务 对 其 它 任 务 进 行不正常的干涉。第八章 80286 微处理器结构及其特点 二

36、、段存取时的保护1.装载段寄存器时的检查在 用JMP/CALL/RET 及IRET 指 令 向 段 外 转 移 时,要更 新CS 寄 存 器 内 容;或 者 用MOV,POP,LDS,LES 指 令 装入 SS,DS,ES 时 都 要 进 行 保 护 检 查。下 面 以“MOVDS,AX”指 令 的 装 入 过 程 崐 为 例 作 一 说 明。使 用 其 它 指令装入段寄存器的检查过程也与此相同。第八章 80286 微处理器结构及其特点“MOVDS,AX”指 令 执 行 时 的 检 查 过 程 如 图8-23 所示。首 先 用AX 寄 存 器 中 的 选 择 器 的TI 位 选 择GDT(“0

37、”)或LDT(“1”)。然 后 将 索 引 域 的 值 乘8,加 上 描 述 符 的 基 地址,就 得 到 描 述 符 地 址。这 时 检 查 一 下,所 访 问 的 描 述符 位 置 是 否 在 界 限 之 内,若 不 在 有 效 的 界 限 内,就 产 生13类一般保护异常中断。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-23 装载段寄存器时的检查(a)第一步:界限检查;(b)第二步:存取权检查第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-23 装载段寄存器时的检查(a)第一步:界限检查;(b)第二步:存取权检查第八章 80286 微处理器结构及其特点 2.实地址计算时的检查所谓实地

38、址计算检查,就是在对由段寄存器的缓冲器所指定的段进行存取操作时所作的检查。在这种检查中,首先是检查段缓冲器的存取权域,检查指令的有效性。譬如,V AR 为一个字变量,“MOVCS:V AR,AX”指令是对CS 段进行写操作,这是不允许的。另外“MOVAX,CS:V AR”指令,只是在CS 寄存器中装入可读段描述符时才能有效。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-24 实地址计算时的检查第八章 80286 微处理器结构及其特点 三、特权级保护链的使用方法如 前 所 述,80286具 有 用03个 序 号 所 表 示 的4个 特权 级 组 成 的 保 护 链 结 构。这 个 结 构 如

39、图8-6 所 示,每 个任 务 都 是 分 离 的。其 中 特 权 级0是 最 高 可 靠 性 的 特 权 级;3 级是最低特权级。第八章 80286 微处理器结构及其特点 在 特 权 级0级 中,通 常 配 置 操 作 系 统 的 内 核。在 内 核中,使用特权指令进行与CPU 密切相关的那些处理。在 特 权 级1级 中,进 行 不 属 于 内 核 的 系 统 标 准 服 务 程序 处 理。在 特 权 级2级 中 通 常 配 置 对 操 作 系 统 进 行 扩 充 的用 户 化 的 程 序。这 些 特 权 级 的 程 序 对 内 核 的 安 全 性 不 会产生什么影响,因而从应用程序中将它们

40、分离出来。第八章 80286 微处理器结构及其特点 特 权 级3级 分 给 应 用 程 序,从 而 可 以 禁 止 应 用 程 序对特权级高的OS 程序进行不正崐确的存取操作。4个 特 权 级 不 是 都 必 须 使 用,究 竟 采 用 几 个 特 权 级别 应 视 实 际OS 不 同 而 不 同。但 是,为 了 使 系 统 可 以 执行特权指令,特权级0级通常是必须使用的。第八章 80286 微处理器结构及其特点 四、特权级对数据存取的限制如 前 所 述,在 段 寄 存 器 装 载 时,为 了 要 进 行 特 权 级 检查,采用了表示特权级别的三个量值DPL、CPL、RPL。DPL(Desc

41、riptor Privilege Level:描 述 符 特 权 级),如前说明,存放在DPL 域中。第八章 80286 微处理器结构及其特点 CPL(CurrentPrivilegeLevel:现 行 特 权 级),用 它 来 表示 现 行 程 序 代 码 段 的 特 权 级 别(但 除 一 致 段 以 外),存 放在CS 及SS 段寄存器的选择器域。RPL(RequestedPrivilegeLeve1:请 求 特 权 级),它 用选择器的RPL 域表示。第八章 80286 微处理器结构及其特点 五、任务内的控制转移在一个任务中进行控制转移有以下三种情况。(1)段内转移不 访 问 描 述

42、符,不 改 变 特 权 级,使 用JMP/CALL/RET 指 令,实现段内控制转移。(2)同一特权级内的段间转移在同一特权级内的段间转移又可分成如下三种情况。第八章 80286 微处理器结构及其特点 访 问 代 码 段 描 述 符 的 长 转 移 指 令JMP/CALL/RET 和NT 位=0 时的IRET 指令;访问调用门的长转移JMP/CALL 指令;访 问 中 断/陷 井 门 的INT 指 令,外 部 中 断,异 常 中 断。第八章 80286 微处理器结构及其特点(3)特权级间的段间转移特权级间的段间转移也有以下三种情况。访问调用门的长CALL 指令;访问中断/陷井的INT 指令,外

43、部中断,异常中断。在(1)的 情 况 下,因 为 不 访 问 描 述 符,故 没 有 涉 及 特权级有关的问题。第八章 80286 微处理器结构及其特点 在(2)和(3)的 情 况 下,为 了 存 取 描 述 符,必 须 受 特权 级 控 制,特 别 是 用CALL 指 令 向 更 高 的 特 权 级 转 移 时,就 必 须 使 用 调 用 门。另 外,在 中 断 发 生 时,就 必 须 通 过中 断/陷 井 门。有 关 控 制 转 移 的 说 明 如 表8-5、8-6 及 图8-25,8-26 所示。第八章 80286 微处理器结构及其特点 表8-5 控制转移分类第八章 80286 微处理器

44、结构及其特点 表8-6 控制转移的类型第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-25 任务内控制转移和调用门第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-26 任务内控制转移的有效性第八章 80286 微处理器结构及其特点 1.段间直接控制转移(同一个特权级内)如 图8-27 所 示,在 访 问 代 码 段 的 长JMP/CALL/RET指 令 和IRET 指 令(NT=0)中,当 选 择 器 所 指 定 的 段 描 述 符装 入CS 段 寄 存 器 的 高 速 缓 冲 器 时(注 意,该 选 择 器 可 能是 操 作 数,也 可 能 是 位 于 堆 栈 的 返 回 地 址 的 段 选

45、 择 器),这 个 装 载 操 作 只 有 在 选 择 器 的RPL CPL,且DPL=CPL的情况下才能进行。=第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-27 段间直接控制转移第八章 80286 微处理器结构及其特点 2.利 用 调 用 门 进 行 段 间 的 间 接 控 制 转 移(不 同 特 权级之间或同一特权级内)通 常 使 用 长 转 移JMP/CALL 指 令 来 访 问 调 用 门,从程 序 角 度 来 看,与 直 接 对 代 码 段 的 描 述 符 进 行 存 取 的 情况 没 有 什 么 不 同。用CALL 指 令 来 访 问 调 用 门,就 有 可能 使 控 制 权

46、向 比 调 用 者 的 特 权 级 更 高 的 代 码 段 转 移。但 是,用JMP 指 令 访 问 调 用 门 时,只 能 使 控 制 权 在 同 一特 权 级 的 代 码 段 间 进 行 转 移。总 之,为 了 通 过 调 用 门 将控制权移向更高的特权级,必须使用CALL 指令。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-28 用调用门进行段间间接转移第八章 80286 微处理器结构及其特点 3.调用门的堆栈处理为 了 保 证 系 统 的 安 全 性,一 个 任 务 内 的 各 特 权 级 可以 各 自 设 置 独 立 的 堆 栈。这 样,为 了 能 够 满 足 较 低 特 权级 提

47、 出 的 处 理 要 求,就 要 有 足 够 大 的 堆 栈 空 间。如 果 不这 样 处 理,而 想 使 所 有 特 权 级 都 使 用 同 一 个 堆 栈 段,那么 在 用 户 程 序 出 现 堆 栈 溢 出 情 况 下,会 引 起OS 的 异 常 处理。而这异常处理又将再次引发堆栈溢出堆栈来传递参数的情况如图8-29 所示。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-29 堆栈转移和参数的传递第八章 80286 微处理器结构及其特点 4.特权级之间的返回在 执 行 长RET 指 令 或IRET 指 令(NT=0)时,若 压 入 堆栈 的 返 回 地 址,其CS 选 择 器 中 的RP

48、L CPL 的 条 件 不 能满 足,则 这 些 指 令 就 不 能 执 行。也 就 是 说,只 有 在 返 回目 的 特 权 级 与 现 行 的 特 权 级 相 同 或 较 低 时,才 能 执 行 返回 指 令。在 堆 栈 中 存 放 的CS 选 择 器 的RPL 指 出 了 要 返回 的 目 的 特 权 级。若RPL=CPL,表 示 同 一 特 权 级 内 返 回;若RPL CPL,则表示不同特权级之间返回。=第八章 80286 微处理器结构及其特点 5.一致代码段通 常,调 用 较 高 特 权 级 代 码 段 时,必 须 通 过 门。但 是,如 果 特 权 级 高 的 段 是 一 致 代

49、 码 段,此 时 既 使 不 使 用 门 也 能调 用。也 就 是 说,一 致 代 码 段 不 是 在 它 本 身 的DPL 特 权 级上,而 是 在 调 用 者 的 特 权 级 上 执 行。总 之,CPL 不 变,堆 栈段 也 不 切 换。因 此,从 应 用 程 序 角 度 来 看,是 可 以 对 它 进行 存 取 操 作 的。这 种 处 理 方 法 适 用 于 不 希 望 给 予 高 特 权级的OS 中的那些过程代码段等。在图8-30 中,用图示方法表示了一致代码段的功能。第八章 80286 微处理器结构及其特点 图8-30 一致代码段功能示意图第八章 80286 微处理器结构及其特点 六

50、、用软件强化保护功能至 此,已 对 硬 件 保 护 机 构 的 功 能 作 了 详 细 的 叙 述。但 是 硬 件 保 护 机 构 的 功 能 并 不 能 完 成 全 部 的 保 护 功 能。例 如,检 查 选 择 器 参 数 的 有 效 性 问 题 就 是 一 个 例 证。为弥 补 硬 件 的 不 足,准 备 了ARPL 指 令,通 过 软 件 来 进 行 检查,这是很有必要的。第八章 80286 微处理器结构及其特点 1.用ARPL 指令确认选择器参数的有效性首 先 看 一 下 图8-31 中 使 用 非 法 参 数 的 例 子。图 中特 权 级3的 应 用 程 序 将 指 示OS 数 据