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Intel 64/x86_64/x86/IA-32处理器操作模式/运行模式

时间：2019-05-09 19:12:20

Processor Operation Mode

IA-32架构支持3种操作模式，和一种类操作模式(quasi-operating mode)：

实地址模式/实模式(real-address mode)：这种模式最早可以追溯到Intel 8086处理器上，IA-32架构支持的实模式有一些扩展（例如可以切换到保护模式或系统管理模式）保护模式（protected mode）：这是IA-32架构的原生操作模式，提供了丰富的架构特性，灵活性，高性能和既有软件的向后兼容性。系统管理模式(system management mode - SMM)：起至Intel386 SL处理器，SMM模式是IA-32处理器的标准特性。这种模式为操作系统和系统管理软件提供了一种透明的机制，用于实现电源管理和OEM厂商特有的特性。通过激活外部系统中断引脚(SMI#)，产生系统管理中断SMI，由此可以进入SMM模式。在进入SMM时，处理器切换到单独的地址空间，同时会保存当前运行的程序/任务的环境上下文。这样SMM专用的代码可以透明地执行（即操作系统/应用程序不受SMM模式的代码影响）。当退出SMM模式后，处理器被置于SMI之前的状态，继续执行被中断的程序/任务。虚拟8086模式（即上述的类操作模式）：在保护模式下，处理器支持这种被称为虚拟8086模式的类操作模式，使得处理器可以在受保护的，多任务环境下执行8086软件。

注：虚拟8086模式不是一种独立的操作模式，可以看作是保护模式下的一个特殊子模式，用于执行8086的实模式指令，但是不同于处理器位于实地址模式。

Intel 64架构支持IA-32架构上的所有模式，以及新的IA-32e模式：

IA-32e模式：在IA-32e模式，处理器支持2种子模式：兼容模式与64位模式。64位模式提供了64位的线性地址寻址方式，支持超过64G字节的物理地址空间。兼容模式允许大多数传统的保护模式的程序无需修改即可运行。

注：（本段不涉及16位实模式程序）在支持IA-32e模式的处理器上运行32位操作系统，则不会启用IA-32e模式，也无法使用64位地址空间，且只能运行传统的32位保护模式的应用程序。只有安装了64位操作系统，才可以运行64位应用程序，此时处理器运行在IA-32e模式；若运行传统的32位保护模式的应用程序，则处理器切换为兼容模式。64位模式与兼容模式被设计为可以快速切换。

注：下图是处理器各种操作模式的切换图与切换方式，但是要注意的是RSM指令导致的模式切换必须要遵循从哪里来回哪里去的原则，即从实模式通过SMI进入SMM模式，通过RSM指令只能返回到实模式，不能切换到其他模式，例如保护模式或者IA-32e模式。在图中用不同颜色的椭圆表示这个原则。

在加电冷启动，或者重置reset后，处理器处于实地址操作模式。CR0寄存器的PE标志位可以用于控制处理器在实模式与保护模式之间的切换。

EFLAGS标志寄存器的VM标志位用于控制处理器在虚拟8086模式与保护模式之间的切换。这两种模式的转换通常是随着任务切换或中断/异常处理返回实现的。

IA32_EFER寄存器（注：参看后文）的LMA[bit 10]标志位决定处理器是否运行在IA-32e模式。当运行在IA-32e模式时，代码段的CS.L标志位决定运行在哪种字模式：64位模式或兼容模式。通过启用分页机制，设置IA32_EFER.LME[bit 8]标志位，处理器可以从保护模式切换进入IA-32e模式。

无论何时接收到SMI中断且无论处理器处于何种操作模式（实模式，保护模式，虚拟8086模式，IA-32e模式，但是SMM模式除外），处理器都会切换进入SMM模式。当执行RSM（SMM返回）指令后，处理器会切换回SMI发生时的操作模式。