x86架构的基本运行环境

从CPU的角度来看，程序不过是一组指令并按编译时生成的顺序执行。执行的过程中会从内存中取值并在寄存器中操作，以得到期望的结果。此外还有一些特殊的寄存器对CPU的状态和行为进行控制。下面介绍一下x86架构的基本运行环境。

三种基本模式

实际上x86有4种运行模式：实模式、保护模式、SMM模式和虚拟8086模式。除SMM模式外，其他三种模式常见于各种教科书，对理解x86CPU工作极为重要，在此也对他们进行简要介绍。

实模式：当CPU加电并经历最初的混沌状态后首先进入的就是实模式，它是早期Intel8086 处理器的工作模式。在该模式下，逻辑地址转换后即为物理地址，CPU可以访问1MB的物理地址空间（1MB+64KB）。操作系统或者BIOS通常在该模式下准备必要的数据结构和初始化关键的寄存器，然后切入保护模式。

保护模式：操作系统运行最常用的模式。在该模式下，CPU的所有功能几乎都能得到使用，可以访问架构允许的所有物理地址空间。本章的讲解，如无特殊说明，都是基于保护模式进行的。

虚拟8086模式：为了使早期的8086程序能在保护模式下运行，x86提供了虚拟8086模式。该模式可以让CPU在保护模式下为8086程序虚拟实模式的运行环境，使这些程序在执行时无须真正的从保护模式切换到实模式。

基本寄存器组

寄存器是软件操作CPU的最基本部件，X86架构的寄存器可以粗略的分为以下几类。

1通用寄存器：共有8个32位的寄存器，例如常见的EAX、EDX等，用来保存程序运行时的临时变量、栈指针等数据。

2、内存管理寄存器：包括段寄存器和描述符表寄存器。

3、EFLAGS寄存器：32位的寄存器，用来保存程序运行中的一些标志信息，如溢出、开启中断与否、分支跳转等信息。

4、EIP寄存器：32位寄存器，用来保存指向当前指令的地址。通常教科书中称该寄存器为PC指针。

5、浮点运算寄存器：对于浮点运算，x86会通过一个浮点运算协处理器来处理。协处理器中包括8个80位的浮点数据寄存器，1个16位的控制寄存器，1个16位的状态寄存器，1个16位的标志寄存器，1个11位的指令码寄存器，1个48位的浮点指令指针寄存器和1个48位的浮点数据寄存器。这些浮点运算寄存器为浮点运算提供一个基本的运行环境。

6、控制寄存器：x86提供了5个控制寄存器，分别是CR0~CR4寄存器。这些控制寄存器决定了CPU运行的模式和特征等。

7、其他寄存器：x86还提供了其他一些寄存器，包括了8个调试寄存器DR0~DR7、内存区域类型寄存器、机器检查寄存器以及性能监控寄存器。

权限控制

权限控制是指CPU对资源进行分类，使不同权限的程序只能访问自身权限所允许访问的资源。操作系统的用户态和内核态之分就是最常见的权限控制，内核态程序具有最高权限，用户态程序具有最低权限。x86架构提供两种权限控制机制-----段保护和页保护。这两种机制对应内存管理中的段机制和分页机制，下面分别进行介绍。

1、段保护

段保护引入了如下三种属性对权限控制进行控制。

（1）当前权限级别CPL：CPL表示当前运行的代码权限。通过CS的0、1位记录代码的CPL值，CPL可以有0~3共4个级别，这就是常说的ring级别。其中，Ring0对应CPL=0，具有最高权限，操作系统中的内核运行在该权限；Ring3对应CPL=3，用户程序运行在Ring3。CPL值越高权限越低。

描述符权限级别DPL：DPL表示段和门所具有的权限。它表示代码访问某个段或者通过某个门时所需要的最低权限。例如某个数据段描述符有DPL=2，则只有CPL=0、1、2的代码可以访问该数据段，CPL=3的不能访问。

所要求权限级别RPL：RPL比较特殊，它存在于段寄存器的0~1位，用于程序在访问段时间时增加一级检查。其用途见后面的例子。

程序访问一个段，要通过段寄存器得到段描述符，这样会产生2次检查，参与检查的3个属性分别是：程序本身的CPL、段寄存器的RPL、段描述符的DPL、CPL、DPL、RPL组合起来的情况有很多种，但只有当CPL<=DPL且RPL<=DPL时，访问才被允许，其余情况均被拒绝。通常可以把RPL设置成0来简化检查，此时，满足CPL<= DPL访问即被允许。

页保护

页保护的思想比段保护简单，它通过再页目录项、页表项中引入一个User/Supervisor位，将页面或整个页目录项分成User和Supervisor两个特权级。该位为0时表示Supervisor模式，对应CPL=0、1、2的情况；为1表示User模式，对应CPL=3的情况。当程序运行在CPL=0、1、2也就是SuperVisor模式下时，可以访问所有页面；运行在CPL=3下的程序处于User模式只能访问User页面。

段保护和页保护是可以混用的从面带来了更为灵活的保护机制。