第一篇 x86基础 2
第1章 数与数据类型 2
1.1 数 2
1.1.1 数字 2
1.1.2 二进制数 3
1.1.3 二进制数的排列 3
1.1.4 十六进制数 5
1.1.5 八进制数与十进制数 5
1.2 数据类型 6
1.2.1 integer数 6
1.2.2 floating-point数 9
1.2.3 real number（实数）与NaN（not an number） 11
1.2.4 unsupported编码值 14
1.2.5 浮点数精度的转换 15
1.2.6 浮点数的溢出 17
1.2.7 BCD码 20
1.2.8 SIMD数据 21
第2章 x86/x64编程基础 23
2.1 选择编译器 23
2.2 机器语言 24
2.3 Hello world 25
2.3.1 使用寄存器传递参数 26
2.3.2 调用过程 27
2.3.3 定义变量 27
2.4 16位编程、32位编程，以及64位编程 28
2.4.1 通用寄存器 28
2.4.2 操作数大小 30
2.4.3 64位模式下的内存地址 30
2.4.4 存寻址模式 31
2.4.5 内存寻址范围 34
2.4.6 使用的指令限制 34
2.5 编程基础 34
2.5.1 操作数寻址 35
2.5.2 传送数据指令 39
2.5.3 位操作指令 45
2.5.4 算术指令 47
2.5.5 CALL与RET指令 48
2.5.6 跳转指令 48
2.6 编辑与编译、运行 48
第3章 编写本书的实验例子 50
3.1 实验的运行环境 50
3.2 生成空白的映像文件 52
3.2.1 使用nasm编译器生成 52
3.2.2 使用bximage工具 52
3.3 设置bochs配置文件 53
3.4 源代码的基本结构 54
3.5 编译源代码 55
3.6 映像文件内的组织 55
3.7 使用merge工具 56
3.7.1 merge的配置文件 57
3.7.2 执行merge命令 57
3.8 使用U盘启动真实机器 58
3.8.1 使用merge工具写U盘 58
3.8.2 使用hex编辑软件写U盘 59
3.9 编写boot代码 60
3.9.1 LBA转换为CHS 62
3.9.2 测试是否支持int 13h扩展功能 63
3.9.3 使用int 13h扩展读磁盘 64
3.9.4 最后看看load_module（） 64
3.10 总结 66
第4章 处理器的身份 67
4.1 测试是否支持CPUID指令 67
4.2 CPUID指令的术语及表达 68
4.3 基本信息与扩展信息 68
4.4 处理器的型号（family，model与stepping） 72
4.5 最大的物理地址和线性地址 73
4.6 处理器扩展状态信息 74
4.6.1 探测Processor Extended State子叶 75
4.6.2 Processor Extended State子叶所需内存size 76
4.6.3 Processor Extended State的保存 77
4.6.4 Processor Extended State的恢复 78
4.7 处理器的特性 78
4.8 处理器的Cache与TLB信息 80
4.9 MONITOR/MWAIT信息 83
4.10 处理器的long mode 84
第5章 了解Flags 85
5.1 Eflags中的状态标志位 86
5.1.1 signed数的运算 86
5.1.2 unsigned数的运算 89
5.2 IOPL标志位 90
5.3 TF标志与RF标志 93
5.4 NT标志 95
5.5 AC标志 96
5.6 VM标志 98
5.7 eflags寄存器的其他事项 99
第6章 处理器的控制寄存器 101
6.1 CR8 102
6.2 CR3 103
6.3 CR0 104
6.3.1 保护模式位PE 104
6.3.2 x87 FPU单元的执行环境 104
6.3.3 CR0.PG控制位 108
6.3.4 CR0.CD与CR0.NW控制位 108
6.3.5 CR0.WP控制位 110
6.3.6 CR0.AM控制位 110
6.4 CR4 110
6.4.1 CR4.TSD与CR4.PCE控制位 110
6.4.2 CR4.DE与CR4.MCD控制位 111
6.4.3 CR4.OSFXSR控制位 111
6.4.4 CR4.VMXE与CR4.SMXE控制位 111
6.4.5 CR4.PCIDE与CR4.SMEP控制位 112
6.4.6 CR4.OSXSAVE控制位 113
6.4.7 CR4中关于页的控制位 113
6.5 EFER扩展功能寄存器 114
第7章 MSR 116
7.1 MSR的使用 116
7.2 MTRR 117
7.2.1 Fixed-range区域的映射 118
7.2.2 MTRR的功能寄存器 120
7.3 MSR中对特殊指令的支持 124
7.3.1 支持sysenter/sysexit指令的MSR 125
7.3.2 支持syscall/sysret指令的MSR 126
7.3.3 支持swapgs指令的MSR 127
7.3.4 支持monitor/mwait指令的MSR 128
7.4 提供processor feature管理 129
7.5 其他未列出来的MSR 129
7.6 关于MSR一些后续说明 129
第二篇 处理器的工作模式 132
第8章 实地址模式 132
8.1 真实的地址 132
8.2 real mode的编址 132
8.3 real mode的状态 133
8.4 段基址的计算 134
8.5 第1条执行的指令 134
8.6 实模式下的执行环境 135
8.7 实模式下的IVT 135
8.8 突破64K段限 136
8.9 A20地址线 137
第9章 SMM系统管理模式探索 138
9.1 进入SMM 138
9.2 SMM的运行环境 141
9.2.1 SMRAM区域 141
9.2.2 SMM执行环境的初始化 143
9.2.3 SMM下的operand与address 144
9.2.4 SMM下的CS与EIP 144
9.2.5 SMM下的SS与ESP 145
9.3 SMM里的中断 145
9.4 SMI的Back-to-Back响应 147
9.5 SMM里开启保护模式 147
9.6 SMM的版本 148
9.7 I/O指令的重启及Halt重启 151
9.8 SMM的退出 152
9.9 SMBASE的重定位 153
9.10 SMI处理程序的初始化 154
9.11 SMM的安全 156
9.11.1 芯片组的控制 156
9.11.2 处理器对SMRAM空间的限制 158
9.11.3 cache的限制 160
9.12 测试SMI处理程序 161
第10章 x86/x64保护模式体系（上） 163
10.1 x86/x64的权限 164
10.2 保护模式下的环境 164
10.2.1 段式管理所使用的资源 165
10.2.2 paging分页机制所使用的资源 165
10.3 物理地址的产生 166
10.4 段式管理机制 167
10.4.1 段式内存管理 168
10.4.2 段式的保护措施 168
10.5 段式管理的数据结构 169
10.5.1 Segment Selector（段选择子） 169
10.5.2 Descriptor Table（描述符表） 172
10.5.3 Segment Selector Register（段寄存器） 174
10.5.4 Segment Descriptor（段描述符） 175
10.5.5 LDT描述符与LDT 258
10.6 开启保护模式 260
10.6.1 初始化GDT 260
10.6.2 初始化IDT 262
10.6.3 切换到保护模式 263
第11章 x86/x64保护模式体系（下） 265
11.1 物理页面 265
11.1.1 处理器的最高物理地址（MAXPHYADDR） 266
11.1.2 物理页面的大小 267
11.1.3 页转换模式（Paging Mode） 268
11.2 paging机制下使用的资源 270
11.2.1 寄存器 270
11.2.2 CPUID查询leaf 270
11.2.3 寄存器的控制位 271
11.2.4 页转换表资源 272
11.3 32位paging模式（non-PAE模式） 273
11.3.1 CR3结构 274
11.3.2 32位paging模式下的PDE结构 275
11.3.3 使用32位paging 279
11.4 PAE paging模式 282
11.4.1 在Intel64下的CR3与PDPTE寄存器 283
11.4.2 在AMD64下的CR3 285
11.4.3 PAE paging模式里的PDPTE结构 286
11.4.4 PAE paging模式里的PDE结构 286
11.4.5 PAE paging模式里的PTE结构 288
11.4.6 使用和测试PAE paging模式 288
11.4.7 使用和测试Execution Disable功能 292
11.5 IA-32e paging模式 297
11.5.1 IA-32e paging模式下的CR3 299
11.5.2 IA-32e paging模式下的PML4E结构 302
11.5.3 IA-32e paging模式下的PDPTE结构 302
11.5.4 IA-32e paging模式下的PDE结构 303
11.5.5 IA-32e paging模式下的PTE结构 304
11.5.6 SMEP机制 304
11.5.7 使用IA-32e paging模式 308
11.6 TLB与Cache 314
11.6.1 TLB 315
11.6.2 Paging-Structure Cache 328
11.7 page的内存cache类型 335
11.7.1 PAT（Page Attribute Table） 335
11.7.2 PAT MSR 337
11.7.3 各级table entry的PCD及PWT标志 337
11.8 页的保护措施 338
11.8.1 访问权限位U/S的检查 338
11.8.2 读／写权限位R/W的检查 339
11.8.3 执行权限位XD的检查 339
11.8.4 缺页保护P标志位的检查 340
11.8.5 保留位的检查 341
第12章 Long-mode 342
12.1 x64体系的设计原则 343
12.2 开启long-mode 344
12.2.1 检测处理器是否支持long-mode 344
12.2.2 EFER寄存器 345
12.2.3 进入long-mode的必要条件 346
12.3 退出long-mode 350
12.4 long-mode的执行环境 352
12.4.1 处理器模式的判断 352
12.4.2 64位模式下的段描述符 353
12.4.3 Long-mode的gate描述符 353
12.4.4 Long-mode的描述符表结构 355
12.4.5 Long-mode模式的段寄存器 356
12.4.6 Long-mode的paging机制 357
12.5 long-mode的指令环境 358
12.5.1 64位模式的操作数 358
12.5.2 64位模式下的无效指令 360
12.5.3 64位模式下的寻址模式 361
12.6 64位模式与compatibility模式编程 363
12.6.1 64位模式切换到compatibility模式 363
12.6.2 compatibility模式切换到64位模式 363
12.6.3 利用compatibility模式执行legacy的库函数 364
第三篇 调试与性能监控 370
第13章 断点调试 370
13.1 Single-Step单步调试模式 370
13.2 Breakpoint调试模式 371
13.3 Memory和I/O地址调试模式 372
13.3.1 断点寄存器DR0～DR3 372
13.3.2 状态寄存器DR6 372
13.3.3 控制寄存器DR7 373
13.3.4 Fault与Trap类型的debug异常 375
13.3.5 General Detect产生的＃DB异常 375
13.3.6 执行断点指令产生的＃DB异常 377
13.3.7 访问数据断点产生的＃DB异常 386
13.3.8 访问I/O断点产生的＃DB异常 390
13.3.9 任务切换时产生的Trap调试异常 392
第14章 分支记录 394
14.1 检测处理器的家族和型号 395
14.2 初识Branch Record 395
14.2.1 记录存放的地方 395
14.2.2 记录的形式 396
14.2.3 何时进行记录 396
14.3 IA32_DEBUGCTL寄存器 396
14.3.1 配置Branch trace record的存放 398
14.3.2 CPL-qualified branch record（受CPL限制的BTS） 399
14.3.3 冻结监控 400
14.4 LBR stack 402
14.4.1 FROM_IP与TO_IP寄存器 402
14.4.2 IA32_LASTBRANCH_TOS寄存器 404
14.4.3 LBR stack的使用 405
14.5 使用LBR捕捉branch trace 405
14.6 ＃DB异常下的LBR 419
14.7 IA-32e模式下的LBR stack 421
14.8 使用Single-step on branch功能 428
14.9 BTS（Branch Trace Store）机制 429
14.9.1 检测DS（Debug Store）是否支持 430
14.9.2 Debug store 64位格式 431
14.9.3 检测BTS（Branch Trace Store）机制是否可用 431
14.9.4 检测PEBS（Precise Event Based Sampling）机制是否可用 432
14.9.5 Debug Store存储区域 432
14.9.6 设置DS存储区域 439
14.9.7 使用环形回路BTS buffer 443
14.9.8 使BTS buffer产生DS中断 447
14.9.9 过滤BTS记录 459
14.9.10 64位模式下的BTS机制 463
第15章 性能监控 469
15.1 性能监控机制 469
15.2 Performance monitoring机制的版本 470
15.2.1 确定处理器所支持的功能 471
15.2.2 IA32_PMCx寄存器在各版本中的数量 472
15.2.3 IA32_PMCx寄存器的宽度 472
15.2.4 预定义的event 473
15.3 Nehalem架构下的性能监控机制 474
15.3.1 物理资源 474
15.3.2 counter（计数器） 475
15.3.3 开启计数器 476
15.3.4 全局控制器 476
15.3.5 通用计数控制器 477
15.3.6 固定用途计数控制器 478
15.3.7 全局状态寄存器 480
15.3.8 全局溢出控制器 481
15.3.9 使用Performance monitoring的例子 481
15.3.10 在PMI中冻结计数器 486
15.4 PEBS（Precise Event Based Sampling）机制 489
15.4.1 PEBS buffer 490
15.4.2 PEBS中断 493
15.4.3 PEBS事件 496
15.4.4 PEBS的触发 497
15.4.5 PEBS记录的报告 498
15.4.6 PEBS buffer满时中断 504
15.4.7 多个PMI触发 510
15.4.8 Load latency监控机制 521
15.5 使用Fixed计数器 525
15.6 Time-stamp counter与clock 528
15.6.1 Invariant TSC 529
15.6.2 读取TSC值 530
15.6.3 Clock per instruction 531
第四篇 中断体系 538
第16章 中断与异常处理 538
16.1 Interrupt Source（中断源） 539
16.1.1 硬件中断 539
16.1.2 软件中断 540
16.2 Exception Source（异常源） 540
16.3 Exception的恢复 541
16.4 中断vector 544
16.5 中断的屏蔽 545
16.5.1 可屏蔽的中断 545
16.5.2 不可屏蔽的中断 547
16.6 IDTR寄存器 548
16.7 IVT（Interrupt Vector Table） 549
16.8 IDT（Interrupt Descriptor Table） 550
16.9 gate描述符 551
16.9.1 legacy保护模式下的Interrupt-gate与Trap-gate描述符 551
16.9.2 IA-32e模式下的Interrupt-gate与Trap-gate描述符 552
16.9.3 Task-gate描述符 552
16.10 软件上的中断／异常处理流程 553
16.10.1 处理器对gate描述符和code描述符的检查 553
16.10.2 权限的检查 556
16.10.3 权限处理的三种情形 557
16.10.4 第1种情形：同级调用 558
16.10.5 第2种情形：权限及stack的切换 559
16.10.6 第3种情形：conforming代码段 566
16.10.7 Eflags标志位的处理 567
16.10.8 执行中断／异常处理程序 567
16.11 中断／异常调用中的任务切换 567
16.12 中断／异常调用返回 568
16.12.1 返回时的任务切换 568
16.12.2 IRET指令的operand size 568
16.12.3 IRET指令返回前的检查 571
16.12.4 返回到低权限级别时 573
16.12.5 同级返回 578
16.13 错误码 579
第17章 8259中断控制器 582
17.1 8259结构 583
17.1.1 IRQ的优先级 584
17.1.2 中断请求状态 584
17.1.3 中断服务状态 584
17.1.4 中断屏蔽状态 585
17.1.5 中断响应过程 586
17.2 8259编程 587
17.2.1 8259寄存器I/O地址 587
17.2.2 8259初始化 588
17.2.3 8259的操作字 592
17.2.4 设置edge和level触发模式 596
第18章 Local APIC体系 597
18.1 APIC体系概述 597
18.1.1 local APIC接收到的中断源 598
18.1.2 APIC体系的版本 600
18.2 使用local APIC 600
18.2.1 检测local APIC版本 600
18.2.2 开启和关闭local APIC 601
18.3 local APIC寄存器 604
18.3.1 local APIC寄存器地址 604
18.3.2 local APIC寄存器列表 606
18.4 local APIC ID 609
18.4.1 local APIC ID寄存器 609
18.4.2 APIC ID在multi-threading处理器下 610
18.4.3 multi-threading技术的使用 617
18.4.4 multi-threading处理器编程 627
18.5 local APIC版本寄存器 633
18.6 LVT寄存器 634
18.7 ICR（Interrupt Command Register） 635
18.8 LVT寄存器及ICR的设置 636
18.8.1 delivery mode的设置 636
18.8.2 trigger模式的设置 637
18.9 中断vector及priority 637
18.9.1 local interrupt的vector设置 637
18.9.2 有效的vector值 638
18.9.3 local interrupt的优先级 638
18.9.4 在64位模式下的优先级 640
18.10 处理器的IPI机制 641
18.10.1 IPI消息对象 641
18.10.2 使用physical目标模式 641
18.10.3 使用logical目标模式 645
18.10.4 多处理器的初始化与编程 648
18.11 local APIC的中断处理 659
18.11.1 检查目标 660
18.11.2 IRR和ISR仲裁 661
18.11.3 发送EOI命令 663
18.12 APIC timer 663
18.13 错误处理 666
18.14 LINT0与LINT1 669
18.14.1 LINT0与LINT1寄存器 670
18.14.2 从LINT0屏蔽外部中断请求 672
18.14.3 从LINT1屏蔽NMI 673
18.15 Performance Monitoring 675
第19章 I/O APIC 679
19.1 I/O APIC寄存器 680
19.1.1 direct register（直接寄存器） 680
19.1.2 indirect register（间接寄存器） 682
19.1.3 I/O APIC的IRQ 684
19.1.4 I/O APIC的中断处理 685
19.2 使用HPET（高精度定时器） 688
19.2.1 HPET寄存器基址 688
19.2.2 HPET的工作原理 689
第五篇 浮点与SIMD指令环境 698
第20章 x87 FPU单元与MMX技术 698
20.1 x87 FPU执行环境 699
20.1.1 x87 FPU数据寄存器 700
20.1.2 x87 FPU的stack结构 701
20.1.3 x87 FPU状态寄存器 710
20.2 x87 FPU的异常 718
20.2.1 status寄存器的异常标志位 719
20.2.2 异常的屏蔽 720
20.2.3 ＃IS与＃IA异常 720
20.2.4 ＃D异常 722
20.2.5 ＃Z异常 723
20.2.6 ＃O与＃U异常 723
20.2.7 舍入 727
20.3 x87 FPU的异常处理机制 729
20.3.1 默认处理方法 730
20.3.2 unmasked下的异常 732
20.3.3 使用native模式 732
20.3.4 使用DOS compatibility模式 739
20.4 MMX指令环境 742
20.4.1 MMX寄存器 742
20.4.2 64位SIMD整数运算 743
20.4.3 MMX指令的比较操作 746
20.4.4 MMX指令的unpack操作 746
20.4.5 x87 FPU与MMX混合编程 747
20.5 x87 FPU与MMX的状态 748
20.5.1 x87 FPU环境信息的保存 748
20.5.2 使用FSAVE/FNSAVE指令 749
20.5.3 MMX寄存器的保存 750
20.6 x87 FPU与MMX环境的设置 750
20.6.1 为任务切换设置环境 751
20.6.2 x87 FPU与MMX环境的推荐设置 758
第21章 SSE系列指令环境 759
21.1 处理器的资源 760
21.1.1 处理器对SSE指令的支持 761
21.1.2 128位的XMM寄存器 762
21.1.3 MXCSR 762
21.1.4 SIMD数据类型 765
21.2 SSE系列指令的异常 765
21.2.1 异常的屏蔽 766
21.2.2 numeric异常的处理 769
21.3 SSE系列指令的操作 771
21.3.1 packed数据的运算 772
21.3.2 scalar数据的运算 772
21.3.3 Horizontal的运算 773
21.3.4 MOV与load/store操作 773
21.3.5 shuffle操作 774
21.3.6 unpack操作 777
21.3.7 blend操作 777
21.3.8 insert操作 778
21.3.9 extract操作 780
21.3.10 compare操作 781
21.3.11 logical操作 783
21.3.12 convert操作 785
21.3.13 string处理指令 788
21.4 SSE系列指令操作环境 800
21.4.1 SSE系列指令支持 800
21.4.2 SSE系列指令State信息 801
21.4.3 SSE系列指令环境的设置 805
21.4.4 x87 FPU/MMX与SSE境的延时切换 807
附录A 参考资料 808
附录B 实验清单 809