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  • 指令指针寄存器IP:存放下一条指令的地址的偏移量 (下一条指令的地址,CS给出段基值+ip偏移地址,20位的物理地址) 标志寄存器FR:存放当前程序执行的状态,相加以后结果为0,溢出,符号位为正为负等。指令指针IP...

    指令指针寄存器IP:存放下一条指令的地址的偏移量
    (下一条指令的地址,CS给出段基值+ip偏移地址,20位的物理地址)
    标志寄存器FR:存放当前程序执行的状态,相加以后结果为0,溢出,符号位为正为负等。

    指令指针IP(16位):
    CS提供指令地址的段基值,IP提供偏移量,相加得到一条当前执行指令的20位物理地址,下一条指令得地址也是这样得出来的。
    这里写图片描述

    标志寄存器FR(16):
    这里写图片描述

    .1进位标志位CF
    算术运算:结果最高位(字节第七位,字第15位)有进位/借位置“1”
    .2奇偶标志PF
    结果低8位“1”的个数是偶数时置1(只对低8位)
    .3辅助进位标志位AF
    低八位中的低四位向高四位有进位/借位置1
    .4零值标志位ZF
    运算结果为全0时置1,不为0的时候置0.
    .5符号标志位SF
    运算结果为负时置1,为正时置0
    .6溢出标志位OF
    运算结果N发生溢出时,OF置1,即字节运算:N<-128或N>127
    字运算:N<-32768 或N>32767
    这里写图片描述
    .7单步标志位TF
    TF=1时,cpu执行完一条指令后产生单步进入单步中断程序
    .8中断标志位IF
    IF = 1时,允许CPU响应可屏蔽中断请求。
    .9方向标志位DF
    规定串操作指令中串地址的增减方向
    DF为0时,SI/DI内容自动递增
    DF为1时,SI/DI内容自动递减
    这里写图片描述

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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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  • CPU执行的第一条指令地址

    千次阅读 2019-07-24 13:35:20
    一条指令(ResetVector) 先说结论:X86 CPU启动后,将从地址0xFFFFFFF0处开始执行(此地址并非内存地址。此时,内存还远远没有初始化。)。这一章来看X86系统是如何实现这一点的。 加电或者RESET针脚被激发...

    第一条指令(ResetVector)

    先说结论:X86 CPU启动后,将从地址0xFFFFFFF0处开始执行(此地址并非内存地址。此时,内存还远远没有初始化。)。这一章来看X86系统是如何实现这一点的。 
    加电或者RESET针脚被激发(Assert)后[ref intel] CPU会经历如下几个过程: 
    1. CPU首先会进行硬件初始化(hardware reset)。 
    2. 然后是可选的自检过程(BIST built-in self-test)。 
    3. CPU开始执行第一条指令。从此开始CPU进入软件初始化过程。

    1.CPU硬件初始化

    CPU硬件初始化完成后,CPU被设置为实地址模式,地址无分页。所有寄存器被初始化为特定的值, Cache、TLB(Translation Lookup Table)、BLB(Branch Target Buffer)这三个部件的内容被清空(Invalidate)。

    2.自检

    CPU硬件初始化过程中,硬件可能请求执行自检。如果执行自检,自检完成后,EAX的值为自检错误码,0表示没有任何错误;

    3.第一条指令

    现在,完事俱备,CPU已经准备好,迫不及待地要执行第一条指令了。且慢,这是一个重要的时刻,此刻决定了CPU能否正常指令,让我们详细了解一下CPU目前的状态。 
    表1-1 CPU初始化后的寄存器(部分)

    RegisterPentium 4 and Intel Xeon ProcessorP6 Family Processor Including DisplayFamily = 06H)Pentium Processor
    EFLAGS100000002H00000002H00000002H
    EIP0000FFF0H0000FFF0H0000FFF0H
    CR060000010H60000010H60000010H
    CR2, CR3, CR400000000H00000000H00000000H
    CSSelector = F000H 
    Base = FFFF0000H 
    Limit = FFFFH 
    AR = Present, R/W, Accessed
    Selector = F000H
    Base = FFF0000H
    Limit = FFFFH
    AR = Present, R/W, Accessed
    Selector = F000H
    Base = FFFF0000H
    Limit = FFFFH
    AR = Present, R/W, Accessed
    SS, DS, ES, FS, GSSelector = 0000H
    Base = 00000000H
    Limit = FFFFH
    AR = Present, R/W, Accessed
    Selector = 0000H
    Base = 00000000H 
    Limit = FFFFH
    AR = Present, R/W, Accessed
    Selector = 0000H
    Base = 00000000H
    Limit = FFFFH
    AR = Present, R/W, Accessed
    EDX00000FxxH000n06xxH000005xxH
    EAX000
    EBX, ECX, ESI, EDI, EBP,ESP00000000H00000000H00000000H

    此处我们最关心的是指令执行相关的两个寄存器EIP(Instruction Pointer)、CS(Code Segment)。 
    在实地址模式下(寄存器字长为16位),指令的物理地址是CS << 4 + EIP。段寄存器CS左移四位作为基址,再加上作为偏移的EIP,最终形成指令的物理地址。现代CPU中为了加速指令地址的计算,为每个段寄存器增加了两个寄存器:Base和Limit。Base存放基址,Limit存放最大偏移值。Base和Limit寄存器不能通过指令直接读写,他们的值是在写段寄存器时由CPU自动设置的。通常Base等于段寄存器左移四位,如果CS的值为0xF000,CS的Base寄存器则为0xF0000,但CPU初始化时例外。从表1-1可以看出CS的值为0xF000, 但其Base为0xFFFF0000,EIP为0xFFF0,此时对应的指令地址为0xFFFF0000+0xFFF0 = 0xFFFFFFF0。0xFFFFFFF0就是CPU将要执行的第一条指令。这造成这样一个有趣的事实,16位程序眼中的指令地址空间0x0000~0xFFFF(大小为64K)被CPU翻译到物理地址空间(0xFFFF0000~0xFFFFFFFF)。也就是说,从CPU初始化,到段寄存器被重写(通过跨段跳转指令)前,指令空间0x0000~0xFFFF通过段寄存器被映射到物理地址空间0xFFFF0000~0xFFFFFFFF。 

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  • 一条cpu指令执行过程

    千次阅读 2017-09-12 23:07:58
    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...
    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
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  • CPU加电后第一条指令

    千次阅读 2016-10-30 20:47:36
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  • 计算机可以从时间和空间两方面来区分指令和数据,时间上,取指周期从内存中取出的是指令,而执行周期从内存取出或往内存中写入的是数据,空间上,从内存中取出指令送控制器,而执行周期从内存从取的数据送运算器...
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    千次阅读 2015-04-22 20:33:10
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    千次阅读 2020-02-23 18:45:57
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    万次阅读 多人点赞 2017-02-16 09:37:09
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  • cpu指令运行过程

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  • cpu是怎么区分指令和数据(cs:ip)

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空空如也

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在cpu存放下一条指令的是