64位操作系统-处理器架构
运行模式
- 实模式
- 保护模式。32位处理器的主要模式。
- 系统管理模式。
- 虚拟8086模式
- IA-32e模式。64位吃处理器的主要运行模式。
体系结构各运行模式间切换过程：
处理器上电或重启之后首先运行实模式。CR0控制寄存器的PE标志位控制处理器运行在实模式或者保护模式。EFLAGS标志寄存器的VM标志位可使处理器在保护模式可使处理器在保护模式与虚拟8086模式间切换，切换过程往往通过任务切换或中断/异常返回程序实现。 在开启分页机制的保护模式下，置位IA32-EFER寄存器的LME标志位（位于IA32-EFER寄存器的第8位）可使处理器进入IA-32e模式。通过IA32-EFER寄存器的LMA标志位（位于IA32-EFER寄存器的第10位）可以判断处理器是否运行在IA-32e模式下。当前处理器运行与IA-32e模式，代码段描述符的L标志位可确定处理器运行于64位模式还是兼容模式。不管处理器正处于什么模式，一旦收到SMI信号便会进入SMM模式。只有在执行RSM指令后，处理器会返回到产生SMI信号前。
通用寄存器
IA32体系下的通用寄存器有EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP、ESP。ESP已被处理器用于保存栈指针值。
一些指令的执行必须依赖特定的寄存器。例如，ECX、ESI和EDI寄存器经常用于字符串指令操作，DS段寄存器经常使用EBX寄存器来保存段内偏移地址。
在IA-32e体系结构的64位运行模式下，虽然通用寄存器的操作数模式是32位宽。但它们有能力支持64位宽的操作数。Intel公司在64位模式里加入了8个新的通用寄存器，因此处理器可使用RAX、RBX、RCX、RDX、RSI、RBP、RSP、R8~R15这16个通用寄存器，其中的R8~R15寄存器只在64位模式下有效。
CPUID指令
CPUID指令用于鉴别处理器信息以及检测处理器支持的功能，它在任何模式下执行效果相同。通过EFLAGS标志寄存器的ID标志位（位于EFLAGS寄存器的第21位）可检测处理器是否支持CPUID指令。
CPUID指令使用EAX寄存器作为输入参数，也叫做主功能号。对于一些复杂的主功能来说，它可能会需要子功能号来辅助查询，此时ECX寄存器会向CPUID指令系统子功能号。CPUID指令执行结束后，CPUID指令会使用EAX、EBX、ECX、EDX寄存器保存执行结果。在64位模式下这些信息仍然是32位的，低32位有效，高32位清零。
CPUID指令可以查询两类信息：基础功能和扩展信息。基础信息主功能号从0h开始，目前处理器支持的最大主功能号是14h，处理器通过CPUID指令的主功能号0h可查询出处理器支持的最大基础功能号。扩展信息的主功能号从80000000h开始，目前处理器支持的最大主功能号是80000008h，处理器通过CPUID指令的主功能号80000000h可查询出处理器当前支持的最大扩展功能号。
标志寄存器EFLAGS
EFLGAS标志寄存器包含有状态标志位、控制标志位以及系统标志位，处理器在初始化时将EFLGAS标志寄存器赋值为00000002h。在IA-32e体系结构中，EFLGAS标志寄存器已从32位扩展为64位，其中高32位暂时保留。
某些特殊的汇编指令可以直接修改EFLGAS标志寄存器的标志位。指令LAHF、SAHF、PUSHF、PUSHFD、POPF、POPFD可实现EFLAGS标志寄存器与栈（或EAX寄存器）的互相保存。一旦EFLGAS标志寄存器存有备份，程序便可以借助BT、BTS、BTR、BTC等指令对标志位进行修改或检测。当程序通过调用门执行任务切换时，处理器会把EFLGAS标志寄存器值保存到任务状态段 TSS内，并将目标任务状态段TSS内的值更新到EFLGAS标志寄存器中。
状态标志
EFLGAS标志寄存器的状态标志（0、2、4、6、7、11位）可以反映汇编指令计算结果的状态，如ADD、SUB、MUL、DIV等汇编指令计算结果的奇偶性、溢出状态、正负值等。
CF标志位可反映出有符号整型数计算结果的溢出状态，AF可反映BCD型整数计算结果的溢出状态，SF标志位可反映出有符号整型数计算结果的正负值，ZF标志位可反映整型数的计算结果。
以上标志位，只有CF标志位可通过STC、CLC、CMC汇编指令更改位值，它也可以借助位操作指令（BT、BTS、BTR、BTC指令）将指定位值复制到CF标志位。而且CF标志位还可在多倍精度整型数计算时，结合ADC（含进位的加法计算）或SBB指令（含借位的减法指令）将进位计算或借位计算扩展到下次计算中。
至于状态跳转指令Jcc、状态字节置位指令SETcc、状态循环指令LOOPcc以及状态移动指令CMOVcc，它们可将一个或多个状态标志位作为判断条件，条件分支跳转、字节置位以及循环计数。
方向标志
DF方向标志位位于EFLAGS标志寄存器的第10位，它控制字符串指令（如MOVS、CMPS、SCAS、LODS和STOS等）的操作方向。置位DF标志位可使字符串指令按从高到低的地址方向（自减）操作数据，复位DF标志位可使字符串指令按从低到高的地址方向（自增）操作数据。汇编指令STD与CLD可用于置位和复位DF方向标志位。
系统标志和IOPL区域
EFLAGS标志寄存器的系统标志和IOPL区域，负责控制I/O端口地址访问权限、屏蔽硬件中断请求、使能单步调试、任务嵌套以及使能虚拟8086模式等
如果希望修改系统标志位或IOPL区域，则必须拥有足够的执行权限（0特权级）。VIF和VIP标志只能在虚拟8086模式下有效；AC标志位只能对3特权级的数据对齐检测，如果发现数据未对齐则触发#AC异常；置位RF标志位将临时禁止断点触发#DB异常；IF标志位对NMI（Nonmaskable Interrupt，不可屏蔽中断）不起作用。可以借助汇编指令CLI、STI、POPF、POPFD、IRET操作IF标志位。
控制寄存器
控制寄存器功能表：
IA-32体系结构下，控制寄存器位宽是32位，而IA-32e体系结构下位宽为64位
可通过MOV CRn汇编指令可对控制寄存器进行操作，其中的保留位必须写入数值0，否则会触发#GP异常。CR2和CR3寄存器不会对写入的地进行检测。CR8控制寄存器只在64位模式下有效。
各个有效标志位的功能说明：
如果CR0.PE=0时，置位CR0.PG标志寄存器会触发#GP异常。CR0.CD与CR0.NW标志位会联合控制处理器的缓存和读写策略。
处理器的CR0.TS、CR0.EM以及CR0.MP标志位都用于控制浮点处理器（x86 FPU、MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3、SSE4等）的执行动作。
标志位TS、EM、MP对MMP、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3以及SSE4指令的影响会更复杂一些。
除CRn控制寄存器和XCR0扩展控制寄存器（用于控制浮点计算功能）外，EFER寄存器也用于控制系统功能。它是MSR控制寄存器组的IA32_EFER寄存器，它提供了控制IA-32e运行模式开启的标志位，以及关于页表访问限制的控制区域。
其中LME标志位最为重要，它用于开启IA-32e模式，而第0位则是SYSCALL/SYSRET指令的使能位。
MSR寄存器组
MSR寄存器组可提供性能检测、运行轨迹跟踪与调试以及其他处理器功能。在使用MSR寄存器组之前，应该通过CPUID.01h:EDX[5]来检测处理器是否支持MSR寄存器组。每种处理器都有自己的MSR寄存器组，在使用MSR寄存器组前需要根据处理器的家族信息（CPUID.01h查询处理器家族信息）选择与相对应的MSR寄存器组。
处理器可以使用RDMSR和WRMSR对MSR寄存器组进行访问，整个访问过程借助ECX寄存器索引寄存器地址，再由EDX:EAX组成的64位寄存器保存访问值。（64位模式下，RCX、RAX和RDX寄存器的高32位会被忽略）而且这对指令必须在实模式或0特权级下执行，否则将会触发#GP异常，使用MSR寄存器组的保留地址或无效地址都会产生通用保护异常。
通常IA32_EFER寄存器位于地址0c0000080h处，SYSENTER/SYSEXIT指令相关配置寄存器通常在地址174h、175h和176h处。这些寄存器地址可能根据处理器家族不同而变化。
