Учебный путь по Intel Architecture

От «что такое CPU?» до Intel SDM

Учебный материал, который постепенно погружает тебя в устройство процессоров Intel, память, сегментацию, привилегии, прерывания и системное программирование.

LEVEL 1

🟢 Совсем новичок

LEVEL 2

🔵 Начальный

LEVEL 3

🟡 Средний

LEVEL 4

🔴 Продвинутый

LEVEL 5

⚫ Intel SDM

CHAPTER 2 • SYSTEM ARCHITECTURE OVERVIEW

Обзор системной архитектуры

Intel SDM Vol. 3A

🟢 Совсем новичок

Что такое процессор?

Процессор (CPU) — это устройство, которое выполняет инструкции программы.

Например, когда программа говорит: «сложи два числа», процессор получает соответствующую инструкцию и выполняет её.

🟢 Совсем новичок

Что такое архитектура процессора?

Архитектура — это правила, по которым программное обеспечение взаимодействует с процессором.

Она определяет, какие инструкции существуют, какие есть регистры, как работает память, какие режимы работы поддерживаются и многое другое.

💡 Что описывает Intel SDM?

Intel Software Developer's Manual описывает архитектуру процессоров Intel и правила взаимодействия программного обеспечения с процессором.

🔵 Начальный уровень

Какие режимы работы существуют?

Архитектура IA-32 поддерживает несколько режимов работы процессора:

Реальный режим
Защищённый режим
Виртуальный режим 8086
Режим управления системой

🔵 Начальный уровень

Архитектура Intel 64 расширяет возможности IA-32 и добавляет режим IA-32e.

IA-32e имеет два основных подрежима:

64-bit mode — работа с 64-битными ОС и приложениями.
Compatibility mode — возможность запускать многие старые 32-битные приложения.

Режим	Назначение
Real Mode	Исторический режим, в который CPU попадает после сброса.
Protected Mode	Защищённый режим IA-32.
Virtual 8086	Запуск старого 8086-кода внутри защищённого режима.
IA-32e	Режим Intel 64.

Основные возможности системной архитектуры

Системная архитектура IA-32 содержит механизмы, необходимые операционной системе для управления процессором и программами.

Управление памятью
Защита программных модулей
Многозадачность
Обработка исключений
Обработка прерываний
Многопроцессорность
Управление аппаратными ресурсами
Управление питанием
Отладка
Мониторинг производительности

🟡 Средний уровень

Что происходит после включения компьютера?

После включения питания или перезагрузки процессоры Intel 64 и IA-32 начинают работу в режиме реальной адресации.

Затем программное обеспечение может инициализировать переход в защищённый режим.

Если необходим 64-битный режим, выполняется дальнейшее переключение в IA-32e.

⚙️ Упрощённая цепочка

Power On
   ↓
Real Mode
   ↓
Protected Mode
   ↓
IA-32e
   ↓
64-bit Mode

2.1.1 Global and Local Descriptor Tables

Теперь начинается настоящая низкоуровневая часть.

В защищённом режиме обращения к памяти могут проходить через специальные таблицы: GDT и LDT.

🟢 Совсем новичок

Представь, что память компьютера — это огромный город.

Процессору нужно понимать:

куда можно заходить;
что находится по адресу;
какие права доступа есть;
какие области принадлежат коду или данным.

🔵 Начальный уровень

GDT — Global Descriptor Table.

Это таблица дескрипторов, содержащая информацию о сегментах.

LDT — Local Descriptor Table.

Это локальная таблица дескрипторов.

🟡 Средний уровень

Что такое сегментный дескриптор?

Сегментный дескриптор содержит информацию о сегменте.

В частности, он может содержать:

базовый адрес;
предел сегмента;
права доступа;
тип сегмента;
другие атрибуты.

Селектор сегмента

У каждого дескриптора существует связанный с ним селектор сегмента.

Селектор позволяет процессору определить, какой дескриптор нужно использовать.

🟡 Средний уровень

Упрощённо селектор можно представить как указатель на запись в GDT или LDT.

Segment Selector
       ↓
   GDT / LDT
       ↓
Segment Descriptor
       ↓
Base Address
       +
   Offset
       ↓
Linear Address

🔴 Продвинутый уровень

Для доступа к байту в сегменте необходимо указать селектор сегмента и смещение.

Процессор использует селектор для получения соответствующего дескриптора из GDT или LDT.

Из дескриптора получается базовый адрес сегмента в линейном адресном пространстве.

После этого к базовому адресу добавляется смещение.

Linear Address =
    Segment Base + Offset

🔴 Продвинутый уровень

Но процессор не просто вычисляет адрес.

Он также проверяет права доступа.

Один из важных механизмов — CPL (Current Privilege Level).

CPL определяет уровень привилегий текущего выполняемого кода.

🔴 Продвинутый уровень

Процессор должен знать, где находятся таблицы дескрипторов.

Для этого используются специальные регистры:

GDTR — Global Descriptor Table Register
LDTR — Local Descriptor Table Register

⚫ Intel SDM

В режиме IA-32e регистры GDTR и LDTR расширяются до 64 бит.

В 64-битном режиме некоторые системные дескрипторы также расширяются.

Например, дескриптор LDT может использовать 64-битный базовый адрес.

2.1.2 System Segments, Segment Descriptors, and Gates

Кроме обычных сегментов кода, данных и стека, архитектура Intel определяет специальные системные сегменты.

🔵 Начальный уровень

К двум важным системным сегментам относятся:

TSS — Task State Segment
LDT — Local Descriptor Table

Gates — шлюзы

Архитектура также определяет специальные дескрипторы, называемые шлюзами.

Call Gates
Interrupt Gates
Trap Gates
Task Gates

🟡 Средний уровень

Шлюзы позволяют организовать защищённый переход к специальным процедурам и обработчикам.

Например, приложение может попытаться обратиться к более привилегированной процедуре.

Процессор проверит права доступа перед тем, как разрешить такой переход.

🔴 Продвинутый уровень

При вызове через Call Gate вызывающая процедура предоставляет селектор шлюза.

Процессор проверяет:

CPL текущего кода;
уровень привилегий шлюза;
уровень привилегий целевого сегмента.

Если переход разрешён, процессор получает селектор целевого сегмента и смещение из Call Gate.

🔴 Продвинутый уровень

Если переход требует изменения уровня привилегий, процессор может переключить стек.

Информация о новом стеке может быть получена из TSS текущей задачи.

Application
     │
     │ Call Gate
     ↓
Privilege Check
     │
     ├── DENIED
     │
     └── ALLOWED
            │
            ↓
      Target Code
            │
            ↓
       New Stack

⚫ Intel SDM

В IA-32e некоторые дескрипторы становятся 16-байтовыми.

К ним относятся:

LDT descriptors
64-bit TSS descriptors
Call gates
Interrupt gates
Trap gates

Task Gates в режиме IA-32e не поддерживаются.

🧠 Проверка знаний

Перед переходом дальше попробуй ответить на эти вопросы без подсказки:

Что такое CPU?
Что такое архитектура процессора?
Чем IA-32 отличается от Intel 64?
В каком режиме CPU начинает работу после сброса?
Что такое GDT?
Что такое LDT?
Что находится внутри сегментного дескриптора?
Зачем нужен сегментный селектор?
Что такое GDTR?
Что такое CPL?
Для чего нужны шлюзы?
Что происходит при изменении уровня привилегий?

⚫ Intel SDM — следующий шаг

Если ты понял предыдущие уровни, можно переходить к настоящему тексту Intel SDM.

Здесь уже не нужно упрощать каждое предложение. Теперь задача — научиться читать документацию процессора и самостоятельно разбирать определения, таблицы и алгоритмы.

Именно здесь начинается настоящий системный уровень программирования.