一个操作系统的设计与实现——第18章 欢迎回来

18.1 引言

我们已经实现了一个运行在保护模式下的操作系统，然而，读者朋友也许不会满足：如今早已是多核CPU，64位操作系统的时代，而我们的操作系统仅仅是单核CPU，32位的。因此，从本章开始，我们将在32位单核操作系统的基础上，将其升级为一个64位多核操作系统。

18.2 准备工作

我们仍然使用bochs虚拟机作为操作系统的运行和调试环境。但其编译命令需要增加一些选项：

• 对于bochs：./configure --prefix=... --enable-x86-64 --enable-smp && make -jN && make install
• 对于bochsdbg：./configure --prefix=... --enable-debugger --enable-x86-64 --enable-smp && make -jN && make install

新增的--enable-x86-64选项用于启用64位模式；--enable-smp选项用于启用多处理器模式。

此外，bochsdbg的-rc参数是一个很实用的功能，其可以使bochsdbg在启动时自动执行一串调试命令，建议读者根据需要自行配置这个参数。

18.3 64位寄存器

64位CPU的通用寄存器宽度是64位的，不仅如此，其还新增了8个通用寄存器r8 ~ r15，并拓展了现有寄存器的用法：现在，所有的寄存器都有8、16、32、64位版本。这些寄存器如下表所示：

64位CPU有一个特殊设定：当向一个32位寄存器传送时，其高32位将被自动清零。也就是说，不需要也不存在这样的指令：movzx 64位寄存器, 32位寄存器；然而，movsx 64位寄存器, 32位寄存器与此设定不矛盾，故仍然存在。

标志寄存器也拓展至64位，被称为rflags。然而，由于其低32位都还没用完，因此拓展出的高32位均为保留位。

指令指针寄存器也拓展至64位，被称为rip。

18.4 64位立即数

由于机器语言层面的限制，CPU对64位立即数的支持非常差，以至于只需要以下规则就能描述：

• mov 64位寄存器, 64位立即数是唯一支持64位立即数的指令
• 其他指令如果强行使用64位立即数，也只会取其低32位

也就是说，很多非常依赖立即数的指令，如内存访问，加减法，位运算等，都不能使用64位立即数，而是需要先使用mov指令进行周转。

18.5 RIP相对寻址

64位CPU新增了一种内存访问模式，被称为RIP相对寻址。具体来说：在nasm语法中，[标号]和[abs 标号]表示的是普通的内存寻址模式，此时，标号的值就是内存地址；[rel 标号]表示的是新增的RIP相对寻址，此时，该指令会被编译器转换为[rip + 标号相对于rip的偏移量]。这样做的好处在于：64位模式下，直接使用[标号]是有风险的，因为标号很有可能是一个超过32位的立即数，不过，由于标号往往离rip比较近，相对偏移量较小，故不会超过32位的限制。

在nasm中，可以通过声明[default rel]将所有的[标号]都视为[rel 标号]。

需要注意的是，RIP相对寻址只适用于[标号]这种形式，其他形式，如：[寄存器 + 标号]，[64位立即数]等，都是不适用于RIP相对寻址的，这是因为这些指令都无法确定地址与rip的相对偏移量。

本章讨论了64位CPU的寄存器和内存寻址，64位CPU的其他特点将在后续章节中讨论。从下一章开始，我们将正式开始实现64位操作系统。