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  • 计算机开机第一条指令地址

    千次阅读 2016-12-08 11:12:55
    前提本文针对x86架构的处理器。在正式开始之前,首先需要明确一些基本概念。...reset vector:就是CPU执行的第一条指令的位置地址构成其实随着x86的发展,第一条指令的地址并不是一成不变的 8086:C

    前提

    本文针对x86架构的处理器。在正式开始之前,首先需要明确一些基本概念。
    cs寄存器:代码段寄存器,这个寄存器其实是告诉CPU在这个位置是代码还是数据的。在实模式下,CPU的寻址方式是代码段寄存器左移4位然后加上ip寄存器,作为地址去取内容,写作cs:ip。
    reset vector:就是CPU执行的第一条指令的位置

    地址构成

    其实随着x86的发展,第一条指令的地址并不是一成不变的
    8086:CPU reset之后cs寄存器的值是0xFFFF,ip寄存器的值是0x0,所以形成的物理地址是0xFFFF0,这个地址就是1M往下16字节的位置
    80286:CPU reset之后cs寄存器的值是0xF000,ip寄存器的值是0xFFF0,所以形成的物理地址也是0xFFFF0
    80386:到了386时代一切都变了,此时在CPU reset之后cs寄存器的值仍然是0xF000,但是cs除了段选择子之外还有一个隐藏的基址寄存器,这个寄存器的值是0xFFFF0000,ip寄存器的值仍然是0xFFF0。此时的地址不在是0xF000左移4位加上0xFFF0了,而是0xFFFF0000 + 0xFFF0 = 0xFFFFFFF0。所以第一条指令是在一个很高的地址,是4G往下16字节的位置。

    地址布局与映射

    经过地址构成这一说,可能大家会有一些疑问。CPU怎么能一上来就去0xFFFFFFF0取指呢?因为此时内存都还没初始化呢,那里什么都没有啊。而且第一条指令毫无疑问是在BIOS里啊,现在用来烧写BIOS的flash芯片有256KB的,1MB的,4MB的,怎么也没有0xFFFFFFF0这个地方吧。
    这里就要说一下x86的地址编码方式了。我们平时说的内存,主存都是指的RAM,但这里就有一些问题了,因为RAM是从0开始的一个地址范围,而ROM也是从0开始的一个地址范文,当我们访问一个地址,比如0x100,此时到底是去RAM里找还是ROM里找呢?
    x86解决这个问题的方法时统一编码,也可以叫地址映射。也就是说在CPU眼里,它只看到一块大空间,从0开始,32位的话就是4G结束,64位的最大范围就很大了。而这块地址的不同的位置是有不同的作用的,大部分是用来给程序运行的时候当内存的,但还有的其实是映射给了ROM,IO,或者某些设备,这也就是平时我们看到的reserved address了。
    现在明白了吧,CPU去0xFFFFFFF0取第一条指令,其实就是去BIOS里取了第一条指令。那么BIOS的地址又是怎么映射到那一整块的地址空间中去的呢?这里我认为不同的CPU其硬件实现是有不同的,仅就我知道的一些情况展开讨论。
    在一块1M的flash芯片中,第一条指令一般是在0xFFFF0这个位置,所以我们很简单的想到,其实是把这1M映射到了4G地址中最高的1M。

    1M以下地址空间

    前文说到BIOS也就是ROM的地址空间被映射到了高地址的1M,但我们平时看到的都是低1M以下空间和BIOS相关。因为在高地址的时候,CPU实际上是在访问ROM,在一段时间以后,CPU会将ROM中的内容复制到RAM中,这个位置就是低1M地址空间。所以当CPU访问低1M地址空间的时候就是真正在访问RAM了,而不是ROM。这样带来两个好处,第一是RAM比ROM更快。第二是这样重新满足了实模式下寻址范围是1M这一特点。CPU会执行一条长跳转,从高地址跳到1M以下地址空间,这会引起cs的改变,然后CPU寻址方式重新回归到cs左移4位 + ip的模式。
    但这里有一些疑问:我们一般认为第一条指令就是一条长跳转,那么CPU怎么完成内存初始化并将BIOS相关数据复制到1M以下地址空间呢?这里有几种可能(猜测),第一是第一条指令并不是长跳转,而是先进行了一些基本的初始化,然后才跳转。第二是ROM到地址空间的映射并不是简单得映射到了高地址的1M,而是有更复杂的映射方式,使得长跳转以后实际上CPU还是在访问ROM。第三就是CPU一旦上电就由相关硬件将BIOS内容复制到了对应的RAM中。这里就是我认为不同CPU有不同实现的地方了,只能说具体情况具体分析

    小结

    本文分析了计算机第一条指令的地址形成,分别介绍了CPU访问的物理地址,以及这第一条指令在1M flash中的位置,介绍了ROM到RAM的地址映射,当然这只是一种可能情况。并介绍了CPU如何从第一条指令开始进行后续的行为。

    参考链接

    https://en.wikipedia.org/wiki/Reset_vector
    http://blog.csdn.net/xuefeng0707/article/details/8526306

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  • CPU执行第一条指令时情形

    千次阅读 2013-10-14 14:58:12
    cpu执行的第一条指令不在内存中,众所周知,内存是ram组成的 ,而ram不断电,可以保存信息,一旦断电,ram中的信息将会丢失,所以cpu要执行的第一条指令被固化在rom中。 以前8086年代,...

    CPU执行第一条指令时情形

     

    cpu执行的第一条指令不在内存中,众所周知,内存是由ram组成的 ,而ram不断电,可以保存信息,一旦断电,ram中的信息将会丢失,所以cpu要执行的第一条指令被固化在rom中。

    以前8086年代,由于内存是1M的,所以rom被编址在1M的最后的64K中,所以它的段地址是0xFFFF0,这样就不至于不ram分成两个部分,就是将cs设置成0XF000,cpu执行的BIOS第一条指令的地址是:0XF000:FFF0H,这样使得固件的地址在寻址空间靠后的位置16个字节处,这是一条跳转指令,向前调转到一个地方,然后开始执行,启动代码由jmp F000 : XXXX中的偏移XXXX来把握,如果使用得多,XXXX就小,使用得少,XXXX就大,这样使启动代码尽量靠后,而不浪费多余的地址空间,由于地址空间安排在最后,也不会把整个地址空间隔离成两段。

    而出现80386以后,内存已经大于1M,所以如果把冷启动固件编址在F000h段内,就会把整个地址空间隔离成不连续的两段,一段是F000h以前的地址,一段是1M以后的地址,这很不方便。Intel采用的办法是,还是默认将执行启动代码的BIOS ROM编址在系统可寻址空间的最后(如32x86机的话,这段地址就位于4GB的最后一个64K内),在系统复位时,CPU进入实模式,并将CS寄存器设置成F000h,而将它的shadow registerBase设置成FFFF0000h(理论上正常情况下CSF000h的话,其shadow registerBase应该设置成000F0000h,但intel有意识的将高12位触发成1了,除了这样他也没有什么好办法让机器一启动就跑道4GB那么高的地址上去执行),而偏移量EIP置成0000FFF0h,所以机器执行的第一条指令的固件安排的物理地址显然就变成了FFFFFFF0hBIOS代码和以前还是要兼容的,也就是说此时从FFFFFFF0h处取出的还是一条远跳转指令jmpF000 : XXXX(我跟踪调试过好几款BIOS,这里的XXXX似乎都是E05B),问题随之而来。这个远跳转指令是要更新CS寄存器和它的shadowregister的,也就是说执行这条jmp F000 : E05B之后(也就是CPU执行第一条指令之后),CS将被更新成F000,其实CS原来就是这个值,这里说不上是更新,但CSshadowregister就不一样了,它被真正的更新了,它的Base域被更新成000F0000h了(高12不再具有触发成1的功能,那个功能只在机器启动到第一次更新CS的内容期间有效)。这个Base再加上虚拟地址中的偏移量E05B,得到物理地址000FE05Bh,这就是CPU执行的第二条指令的地址,但是这条指令的地址已经是1M以内了。但我们不要忘记,这时的F000h段内可不再是BIOS ROM了,这一段此时安排的事实上是我们的RAM空间,这一段RAM需不需要初始化才能使用那还另说,关键是此时此刻这个地方不应该有可以执行的代码才对啊?CPU第二条指令就跳到这里不是自寻死路吗?

    似乎走进了死胡同,但我翻阅了很多资料,找到了一点线索。在很久以前出现过一个叫着Chips & Technoloqies的公司,他设计出一组被称着neat的芯片组,可以将内存高端的BIOS ROM映射到1M以内的RAM空间里,并且可以使这一段被映射的RAM空间具有与ROM类似的只读属性。这个公司后来被intel收购。但后来这种映射似乎就成为了一种标准。由于这种映射关系我们有理由相信,机器启动的时候,4G的最后一个64K里与1M的最后一个64K里应该具有相同的东西,所以即使从FFFFFFF0h用一条jmp跳到000FE05Bh,也仍然能够找到正确的代码去执行。

    那么BIOS接下来要干一些什么事呢?它有很多事情要做,我只举几件有代表性的,其中有两件事是DRAM的初始化和memorysizing。按理说这个时候CPU还处在实模式下,BIOS还没有办法去确定超过1M的内存量。另外还有一件事就是代码和数据拷贝,因为映射到1M以内来的BIOSROM容量有限,事实上还有很大一部分没有映射过来,以压缩的形式存放在高端的ROM中了,BIOS1M以内执行初始化时难免需要将高端的那些内容拷过来使用,这也是不容易做到的。但不要忘了,我们可以使用前面说的将段break4G的方法来做成这几件事。当然,似乎还存在着这样一种可能性,那就是切换到保护模式,这些事情就都可以做了,并且好像没有必要再切换回实模式。情况没有想象中那么简单,从我前面的那个实验看,我切换到保护模式之后只执行了几行非常必要的将段break4G的代码,其他的事情一律不做,因为保护模式下有非常严格的特权检查,并且需要设置GDTIDTLDT等一系列的表格,一般的代码是不容易在保护模式下跑起来的,所以想在保护模式下完成整个BIOS的初始化,工程过于浩大,几乎等于写一套小型的保护模式操作系统了(FreeBios可能就是这么干的)。

    当然我也有足够多的证据证明我们常用的BIOS都使用了这种breaklimit的技术,并且它们完成break后都是迅速切换回实模式。

     

    ---------------------------------------

     

    参考了X86 CPU在段式管理下的地址形成机制以及BIOS初始化过程对这种机制的利用

                       陈英豪  中科院计算所

     

     

     

    对于BIOS的一些质疑解答:

     

    1.      而这里之后我开始不明白了。JMP要跳转到的位置是在高地址(4G末端)Flash Rom BIOS中还是在低地址(1M末端)的shadow BIOS呢?

    2.位于低地址(1M处)的(BIOS shadow)是从Flash BIOS拷贝而来呢,还是没有任何拷贝过程仅仅利用地址映射到原Flash BIOS中的呢?

    3  无论是拷贝还是映射,内存地址空间上ROM BIOS映射区只有 0xF0000~0x100000之间的64KB。而ROM本身有可能大于2M。那映射的应该是原BIOS程序的一部分,那么是哪一部分呢?

     

    对这些问题的回答需要阐明机关概念:

    1.     机器加电时,内存控制器还没有初时化,内存是不可用。(李皓:这是对的)

    2.  机器加电时,对CPU的指令的解码不是北桥,CPU发出的地址被传递到南桥并由FHW (Firmware Hub)解码到BIOS ROM芯片(Flash)。在加电时一直到引导进程初,BIOSE(0xE0000~0xEFFFF)F(0xF0000~0xFFFFF)4G内存顶端的对应段0xFFFE0000 ~0xFFFEFFFF0xFFFF0000 ~0xFFFFFFFF都被FWH解码到BIOSROM芯片的两个64区域。即在启动阶段访问0xE0000~0xEFFFF0xFFFE0000~0xFFFEFFFF是同一个BIOS区域,访问0xF0000~0xFFFFF0xFFFF0000~0xFFFFFFFF是同一个BIOS区域。

    3.     机器加电时,CS段寄存器值为0xF000,EIP值为0x0000FFF0,但CPU的取的地址是段寄存器不可见的部分(影子寄存器)加上偏移部分,此时影子寄存器的值为0xFFFFFFF0。所以CPU执行的第一条指令是0xFFFFFFF0(复位向量),通常在BIOS ROM对应的指令是一个跳转指令JMP F000:E05B,当取出跳转完成后,由于CS段的影子寄存器刷新并重新加载,下一条指令地址是0xFE05B。不过这条指令仍然从BIOS ROM里取得。

    4.     关于shadow BIOSBIOS程序通常是压缩的,在系统初始化阶段,BIOS会解压BIOS ImageRAM中,然后编程北桥控制器对0xE0000~0xFFFFF置为write only,这样对该区域的写被传递到DRAM里,然后把解压的BIOS拷贝到E段和F段。最后重新编程北桥控制器对0xE0000~0xFFFFF置为read only。对于PCI ROM BIOSBIOS会把每个卡上的ROM拷贝到0xC0000~0xDFFFF然后执行他们的初时化代码。

    5.     BIOS ROM可以很大,但不都是可执行的,如含有ACPI Table等,开始解压到0xE0000~0xFFFFF只是其中一部分,在启动过程中还需要从BIOS ROM解压代码到RAM中,并覆盖其中不需要的代码。这个就好像BIOS ROM是硬盘(不过可用直接访问),真正执行的代码在RAM中一样。硬盘可以很大但RAM小,这也就是程序的局部性原理。

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  • 计算机底层执行一条指令的过程

    千次阅读 2014-02-21 14:29:30
    计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-----分析指令-----执行指令。 取指令的任务是:根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令,送到指令寄存器。 分析指令阶段的任务是:将指令寄
    1.先是IP指向这条指令->指令寄存器;
    2.分解指令为微指令,计算机实际只会执行微指令,自己分一下,不记得很清楚了,书的不是有很多吗?

    这是在网上找到的(讲的很清楚,希望有用):
    计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-----分析指令-----执行指令。
    取指令的任务是:根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令,送到指令寄存器
    分析指令阶段的任务是:将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码,分析其指令性质。如指令要求操作数,则寻找操作数地址。
    计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程,直至遇到停机指令可循环等待指令。

    一般计算机进行工作时,首先要通过外部设备把程序和数据通过输入接口电路和数据总线送入到存储器,然后逐条取出执行。但单片机中的程序一般事先我们都已通过写入器固化在片内或片外程序存储器中。因而一开机即可执行指令。

    下面我们将举个实例来说明指令的执行过程:

    开机时,程序计算器PC变为0000H。然后单片机在时序电路作用下自动进入执行程序过程。执行过程实际上就是取出指令(取出存储器中事先存放的指令阶段)和执行指令(分析和执行指令)的循环过程。

    例如执行指令:MOV A,#0E0H,其机器码为“74H E0H”,该指令的功能是把操作数E0H送入累加器

    0000H单元中已存放74H,0001H单元中已存放E0H。当单片机开始运行时,首先是进入取指阶段,其次序是:
    1 程序计数器的内容(这时是0000H)送到地址寄存器;

    2 程序计数器的内容自动加1(变为0001H);

    3 地址寄存器的内容(0000H)通过内部地址总线送到存储器,以存储器中地址译码电跟,使地址为0000H的单元被选中;

    4 CPU使读控制线有效;

    5 在读命令控制下被选中存储器单元的内容(此时应为74H)送到内部数据总线上,因为是取指阶段,所以该内容通过数据总线被送到指令寄存器。至此,取指阶段完成,进入译码分析和执行指令阶段。
    由于本次进入指令寄存器中的内容是74H(操作码),以译码器译码后单片机就会知道该指令是要将一个数送到A累加器,而该数是在这个代码的下一个存储单元。所以,执行该指令还必须把数据(E0H)从存储器中取出送到CPU,即还要在存储器中取第二个字节。其过程与取指阶段很相似,只是此时PC已为0001H。指令译码器结合时序部件,产生74H操作码的微操作系列,使数字E0H从0001H单元取出。因为指令是要求把取得的数送到A累加器,所以取出的数字经内部数据总线进入A累加器,而不是进入指令寄存器。至此,一条指令的执行完毕。单片机中PC="0002H",PC在CPU每次向存储器取指或取数时自动加1,单片机又进入下一取指阶段。这一过程一直重复下去,直至收到暂停指令或循环等待指令暂停。CPU就是这样一条一条地执行指令,完成所有规定的功能。
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  • 、冯`诺依曼计算机的...指令由操作码和地址码组成。 存储程序 以运算器为中心 注意ALU大家有的时候叫他 算术逻辑单元 认为是Arithmetic Logic Unit的缩写 其实这里它是Arithmetical unit的缩写 运算器的英文...
    一、冯`诺依曼计算机的特点
    1. 计算机由 输入、输出、存储器、运算器、控制器 五部分组成。
      这里写图片描述
    2. 指令和数据以同等地位存储于存储器,可按地址寻访。
    3. 指令和数据用二进制表示。
    4. 指令由操作码和地址码组成。
    5. 存储程序
    6. 以运算器为中心
      这里写图片描述
      注意:ALU大家有的时候叫他 算术逻辑单元 认为是Arithmetic Logic Unit的缩写 其实这里它是Arithmetical unit的缩写 运算器的英文缩写
    二、指令

    这里写图片描述
    注意:好多地方的操作码 又叫做操作数 都一样的,只是叫法不一样,ACC是累加寄存器 后面有专门介绍 运算器中的几个寄存器的 寄存器才是各个硬件的核心 无论是运算器还是存储器还是控制器 里面都是放了几个寄存器的。这才是最小的单元

    三、存储器
    1. 存储器的基本组成前面我说了元器件中其实就是寄存器 所以存储器里不可缺少的是 地址寄存器MAR和数据寄存器MDR
      MAR 反映 存储单元的个数MDR反映 存储单元中存放二进制数的长度 就是多少个小bit
      这里写图片描述 这个存储器 有2^4个存储单元 每个存储单元的可以存2^8个 小bit位。
      所以这个存储器的大小是 2^4*2^8=2^12bit .
    2. 存储单元:存放一串二进制代码 注意: 每个存储单元赋予一个地址号 这个很重要,所以看的是存储单元因为他和存储地址对应
    3. 存储字: 存储单元中二进制代码的组合 ,也就是说一个地址 对应的 存储器里的 内容是甚么
    4. 存储字长:存储单元中二进制代码的位数,也就是说一个地址 对应的 存储器里的 内容是长度是多少
    四、运算器
    1. 运算器的基本组成 不多说直接上寄存器 无非就是加减乘除 减法被加法取代了
      这里写图片描述
    2. 加法操作过程 指令 对应的是 操作码地址 注意操作码不是ACC的地址 M对应的是加数的地址 初态是把被加数写到ACC寄存器中 然后把加数M写到x寄存器中 ACC中的数+X中的数 最后加完放到ACC中
      这里写图片描述
    3. 减法操作过程 同加法
      这里写图片描述
    4. 乘法操作过程
      这里写图片描述
    5. 除法操作过程
      这里写图片描述
    五、控制器
    1. 控制器的基本组成 **pc指针寄存器 指令寄存器**pc指针 就是当前欲执行指令的地址 IR是欲执行的指令内容
      这里写图片描述

    2. 取数指令 取指令 分析执行指令 然后放到运算器中的ACC寄存器中

      • pc指针 将指令地址送给地址寄存器
      • 地址寄存器 从存储体中找到 取数指令
      • 存数体讲取数指令 送给数据寄存器
      • 数据寄存器将指令送给 指令寄存器
      • 指令寄存器分析 送给执行指令的控制单元
      • 由于分析出来的是取数指令 所以要将取得数的 地址 送到地址寄存器中
      • 地址寄存器从主存储器找到要取的数
      • 将取的数保存到数据寄存器
      • 最终从这个数据寄存器中的数 送到运算器中对应的acc寄存器中
        这里写图片描述
    3. 存数指令 取指令 分析执行指令 然后将ACC中的数放到存储器中 这个步骤同上面的类似 我这里就不叙述了
      这里写图片描述

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一条指令代码由什么组成