CPU的工作模式--精選文檔

1、Intel CPU 和 ARM CPU 的運行模式摘要: 本文介紹了Intel CPU的三種運行模式：實模式、保護模式，虛擬實模式，同時還介紹了ARM處理器的工作模式：用戶模式和特權(quán)模式，并且分析比較了兩種CPU的這些運行模式的作用及適用場合，以便對這些運行模式有更深入的了解。CPU作為計算機和各種電子設(shè)備的大腦，對計算機和電子設(shè)備起著至關(guān)重要的作用，它主要用來解釋指令和處理數(shù)據(jù)，是計算機和電子設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)各種各樣的功能的基礎(chǔ)。CPU運行模式指的是各種工作環(huán)境， 以及對芯片的指令和能力的影響。CPU運行模式控制處理器如何查看和管理系統(tǒng)存儲器以及使用它的任務(wù)。Intel的CPU占領(lǐng)了大部分的PC

2、市場，而ARM處理器則大量存在于手機和各種嵌入式設(shè)備中。對這兩種CPU的運行模式進行分析能讓我們對CPU的運行模式更加深入的理解。絕大部分PC的CPU都是Intel公司的CPU，Intel的 CPU經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)當(dāng)初的一種運行模式發(fā)展成了現(xiàn)在的三種運行模式，分別是：實模式、保護模式，虛擬實模式。下面對這三種模式進行詳細(xì)介紹。實模式 Intel的8086到80186處理器都只有一種運行模式，這就是實模式。在這個模式下，CPU用20根地址線進行內(nèi)存尋址，所以在這個模式下CPU只能訪問從00000h-FFFFFh的地址范圍的內(nèi)存，即1M大小的內(nèi)存。同時使用16根數(shù)據(jù)線，使用l6位內(nèi)部寄存器運行

3、16位指令。由于使用的是16根數(shù)據(jù)線，為了能夠支持使用20位的地址來訪問1M的內(nèi)存，于是就對內(nèi)存的使用引入了分段機制。為了支持分段機制，CPU設(shè)置了四個16位的段寄存器：CS、DS、SS、ES，分別是代碼段，數(shù)據(jù)段，堆棧段和其他段，對應(yīng)于地址總線中的高16位。尋址時，將段寄存器中的值向左移四位再加上段內(nèi)偏移量就得到了物理地址。這樣就實現(xiàn)了16位內(nèi)存地址到20位物理地址的轉(zhuǎn)換，這種方式叫做“映射”。由于其偏移量只能用16位來表示，所以其支持的段的大小只有64K字節(jié)。在實模式下，系統(tǒng)一次只能運行一個程序，其他程序都處于休眠狀態(tài)。在這個模式下，任何一個程序都可以訪問內(nèi)存的任何地方，并沒有一種保護機制

4、來防止一個程序被另一個程序重寫，即便是對于在內(nèi)存中的操作系統(tǒng)也是如此。所以如果有幾個程序存在內(nèi)存中，很可能會因為其中的一個程序修改了另一個程序的數(shù)據(jù)而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為了能夠和前面的CPU兼容，80286 及以后x86系列兼容處理器仍然是開機啟動時工作在實模式下,這時的CPU和8086沒有任何區(qū)別，只是運行速度比8086更快而已。然后通過操作系統(tǒng)設(shè)置之后就可以進入一個更加先進的模式保護模式。保護模式 要發(fā)揮80386及x86系列處理器的全部優(yōu)勢就要在保護模式下。那么保護模式和實模式到底有什么區(qū)別呢？首先是在保護模式下采用的是32根地址線和數(shù)據(jù)線，運行32位指令，可尋址高達(dá)4G字節(jié)的物理地址空間

5、字。實模式下只能尋址的1M字節(jié)的物理地址空間。保護模式采用了虛擬內(nèi)存，并采用分段和分頁技術(shù)相結(jié)合的方式，其支持的最大的段的大小也從實模式的64K增長到4G。同時保護模式的地址轉(zhuǎn)換方式也發(fā)生了變化。此時段寄存器里存的不再是基址，而是段選擇子。通過段選擇子來選出段的描述符，描述符用來描述一個段，包含了段基址，段界限，段屬性等段的信息。得到了段基址之后，再加上偏移量就得到了線性地址，與實模式最大的區(qū)別是保護模式的基址不要偏移。得到線性地址之后，如果禁止分頁線性地址就被解釋為物理地址；如果允許分頁線性地址就通過頁表映射到物理地址。保護模式和實模式的最大區(qū)別是在保護模式下運行的軟件程序受到了保護。這種保

6、護作用首先體現(xiàn)在進程間的保護。在保護模式下每個進程都有自己的地址空間，然后把地址空間分頁，得到許多的頁面，再把這些頁面映射到物理內(nèi)存。由于不同進程的頁表被映射到不同的物理內(nèi)存，這就實現(xiàn)了進程間的相互隔離，防止一個程序被另一個程序重寫，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。同時進程間的隔離使得一個進程的崩潰也不會影響到其他進程的執(zhí)行。同時保護作用還包括進程內(nèi)的保護。在一個進程內(nèi)，段定義有四種執(zhí)行特權(quán)級別，用數(shù)字0、1、2、3表示，用于限制對任務(wù)中的段進行訪問，數(shù)字越小，級別越高。按照包含在段中的數(shù)據(jù)的重要性和代碼的可信程度，給段指定特權(quán)級別。把最高的特權(quán)級別分配給最重要的數(shù)據(jù)段和最可信任的代碼段，高特權(quán)級別代碼可以訪問

7、地特權(quán)級別代碼，但是反過來就會被阻止。所以系統(tǒng)代碼與應(yīng)用程序代碼雖處于同一地址空間，但系統(tǒng)代碼具有高特權(quán)級別，應(yīng)用程序代碼處于低特權(quán)級別，這樣就防止了用戶代碼破壞系統(tǒng)代碼。操作系統(tǒng)被設(shè)置為0級，擁有最高特權(quán)等級，這就保證了操作系統(tǒng)的安全。段的特權(quán)級別是通過段描述符的中的一個占兩位的DPL位來表示的。保護模式支持的多任務(wù)運行，但這需要多任務(wù)操作系統(tǒng)來完成。操作系統(tǒng)讓每個進程都得到部分的CPU時間，讓它們輪流使用CPU，看起來就好像是多個任務(wù)在運行，實際上在很小的時間片段內(nèi)還是只有一個程序運行，但在多核CPU中可以實現(xiàn)真正的并行運行。通過操作系統(tǒng)的設(shè)置，CPU可以從實模式進入保護模式，但是不能夠倒

8、退從保護模式進入實模式。虛擬8086模式 在當(dāng)初設(shè)計Intel 80386 CPU的時候，需要解決的一個難題是如何讓運行在16位實模式下的程序能夠在80386的保護模式中運行。為此Intel的設(shè)計人員在80386中加入了虛擬8086模式。在虛擬8086模式中，CPU把內(nèi)存分成許多大小為1M的部分，每個部分分配給一個任務(wù)。大部分16位實模式下的程序能夠不經(jīng)任何修改的運行在保護模式下，每個程序都有屬于他們的1M內(nèi)存。微軟在用虛擬8086模式來運行他們的DOS程序。運行Windows操作系統(tǒng)中的DOS提示窗口時，就建立了一個虛擬8086模式的會話。和真正的MS-DOS不一樣，MS-DOS一次只能運行

9、一個任務(wù)，其他任務(wù)都在睡眠，而在Windows中，每個任務(wù)都可以得到一個CPU的時間片段，所以許多任務(wù)都可以同時保持活躍，這是因為保護模式支持多任務(wù)。一個虛擬8086會話窗口完全模擬了一個8086環(huán)境，每一個虛擬機器都有其自己的l M B地址空間、實際硬件BIOS程序的映像、所有各寄存器的仿真以及其他能在實模式中找到的特性，除了速度更快以外。Intel的三個模式中實模式和虛擬8086模式都是為了兼容以前的版本而設(shè)計的，因為向前兼容才使得 Intel現(xiàn)在的CPU設(shè)計的比較復(fù)雜，但其最重要的模式是保護模式，它是現(xiàn)在計算機能夠極大方便人們生活的基石。Intel統(tǒng)治PC的CPU市場，而ARM CPU則

10、統(tǒng)治著嵌入式設(shè)備， 全球 95% 以上的手機以及超過四分之一的電子設(shè)備都在使用 ARM 技術(shù)。 ARM處理器作為廣泛應(yīng)用的嵌入式處理器，有其獨特的體系結(jié)構(gòu)。ARM CPU有兩種工作狀態(tài)，分為ARM狀態(tài)和THUMB狀態(tài)。在ARM狀態(tài)下執(zhí)行的是32位字對齊的ARM指令。在THUMB狀態(tài)下執(zhí)行的是執(zhí)行16位半字對齊的THUMB指令。在這種狀態(tài)下，PC寄存器的第1位來選擇一個字中的哪一半。THUMB狀態(tài)下有著更高的代碼密度，在不需要32位運算場合時，使用THUMB指令可以有更好的效率，但THUMB不是一個完整的體系，只支持一般的功能，無法支持全部功能，高級功能必須要靠ARM來實現(xiàn)。ARM有七種處理器的

11、運行模式，分為兩大類：用戶模式和特權(quán)模式。ARM CPU工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換并不影響CPU的運行模式。用戶模式 大多數(shù)的用戶程序運行在用戶模式下，這時，應(yīng)用程序不能訪問一些受操作系統(tǒng)保護的資源，例如一些特殊的寄存器。在用戶模式，應(yīng)用程序不能直接切換處理器模式。如果要進行模式切換，則必須產(chǎn)生中斷才可以。產(chǎn)生中斷后就進入了特權(quán)模式。特權(quán)模式 特權(quán)模式包括除用戶模式之外的其他六種模式：快速中斷模式、中斷模式、超級用戶模式、中止模式、系統(tǒng)模式和未定義模式。其中除系統(tǒng)模式之外的其他特權(quán)模式又叫異常模式。在每一種異常模式下都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進入異常模式時，用戶模式下的寄存

12、器不被破壞。在特權(quán)模式下，程序可以訪問系統(tǒng)的所有資源，也可以任意的對運行模式進行切換。每一個模式都有其特殊用途?？焖僦袛嗄Ｊ?當(dāng)一個高優(yōu)先級的中斷產(chǎn)生時將會進入這個模式。這個模式是用來支持高速數(shù)據(jù)傳輸或通道處理而設(shè)計的?？焖僦袛嗑哂休^高的中斷優(yōu)先級，進入這個模式后必須盡快處理中斷事件并離開這個模式?？焖僦袛嗟目焖袤w現(xiàn)在：一是快速中斷位于中斷向量表的最后，因此可緊接異常向量表書寫快中斷處理程序，而不必進行程序跳轉(zhuǎn)操作，避免了刷新指令流水線和高速緩存。二是快速中斷有著足夠的私有寄存器，從而可以減少了由于上下文切換造成的寄存器數(shù)據(jù)的保存和恢復(fù)工作而帶來了額外開銷。中斷模式 當(dāng)一個低優(yōu)先級的中斷產(chǎn)生時

13、就會進入這個模式，這些中斷都要比快速中斷的優(yōu)先級低，當(dāng)一個快速中斷序列進入時它將被屏蔽。所以這個模式只是進行普通的中斷處理。系統(tǒng)的外設(shè)可以通過中斷進入這個模式來請求服務(wù)。超級用戶模式 當(dāng)復(fù)位或軟中斷指令執(zhí)行時就會進入這個模式，通常用于請求執(zhí)行特定的管理功能，是操作系統(tǒng)使用的一種保護模式。軟中斷是用戶模式中的程序用來調(diào)用特權(quán)操作指令，實現(xiàn)系統(tǒng)功能調(diào)用，它是通訊進程之間用來模擬硬件中斷的一種信號通訊方式，中斷源發(fā)中斷請求或軟中斷信號后，CPU或接收進程在適當(dāng)?shù)臅r機自動進行中斷處理或完成軟中斷信號對應(yīng)的功能。中止模式 當(dāng)存取出現(xiàn)異常時就會進入這個模式，產(chǎn)生中止異常就意味著對存儲器的訪問失敗。中止異常

14、包括兩種類型，一種是發(fā)生在指令預(yù)取時的指令預(yù)取中止，另一種是發(fā)生在數(shù)據(jù)訪問時的數(shù)據(jù)中止。若處理器的預(yù)取指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問，存儲器會向處理器發(fā)出中止信號，所取得的指令將會被標(biāo)記為無效，但是異常不會立即發(fā)生，只有當(dāng)處理器試圖執(zhí)行無效指令時，指令預(yù)取中止異常才會發(fā)生。如果在無效指令執(zhí)行前發(fā)生分支跳轉(zhuǎn)，那么異常就不會發(fā)生。若處理器數(shù)據(jù)訪問指令的地址不存在，或該地址不允許當(dāng)前指令訪問時，產(chǎn)生數(shù)據(jù)中止異常。中止機制使得頁面虛擬存儲器機制得以實現(xiàn)。在采用虛擬存儲器的系統(tǒng)中，處理器可以產(chǎn)生任意的地址。當(dāng)某個地址的數(shù)據(jù)無效時，MMU將產(chǎn)生一個中止信號。這樣中止異常的處理程序就必須找出異常中斷的原因，使要求的數(shù)據(jù)可用，并重新執(zhí)行被中止掉的指令。應(yīng)用程序也就不需要了解實際可用存儲空間的大小，也不需要了解異常中斷對它的影響。未定義模式 當(dāng)產(chǎn)生一個未定義指令異常時，就會進入這個模式。若ARM處理器不認(rèn)識當(dāng)前指令，則將該指令發(fā)送到協(xié)處理器；若所有的協(xié)處理器都不認(rèn)識該指令，則產(chǎn)生未定義指令異常中斷。該異常中斷處理程序就是用軟件仿真系統(tǒng)中某些部件(協(xié)處理器)的一條指令如仿真浮點運算器的某條浮點運算指令等。如果不仿真，就直接返回，執(zhí)行下一條指令。采用這種機制，就可以通過軟件仿真擴展ARM或THUMB指令集。系統(tǒng)模式 這