Intel X86架构系统编程指南（卷3A）
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更新于2024-07-18
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《英特尔®64和IA-32架构编程卷3：系统编程指南，第一部分》是一本详细的文档，专为软件开发人员设计，涵盖了英特尔®64和IA-32架构的高级系统编程技巧和指导。此文档是五卷系列的一部分，包括基础架构、指令集参考A到Z等其他内容，共同构成了对英特尔处理器技术的全面理解。
本书的主要内容涉及Intel架构的系统级编程，它深入探讨了如何利用这些架构进行高效、安全和兼容性良好的软件开发。第3A卷特别关注的是系统编程的第一部分，可能包含的主题有：
1. **架构特性**：介绍了英特尔®64和IA-32架构的特性和优势，如多线程支持、向后兼容性、内存管理以及处理器间的通信机制。
2. **内存管理**：这部分可能会涵盖虚拟地址空间、内存分段、缓存优化以及与硬件直接内存访问（DMA）相关的操作。
3. **并发编程**：讲解如何利用Intel架构的多核处理能力编写并行和并发代码，包括同步原语、线程库和内存模型。
4. **处理器接口**：讨论了处理器寄存器、中断系统、异常处理以及与操作系统交互的细节。
5. **性能调优**：提供了关于处理器优化策略的建议，例如使用CPUID指令获取硬件特性、基准测试工具和性能分析技术。
6. **安全性考虑**：强调了在系统编程中保护敏感数据、防止缓冲区溢出和其他安全漏洞的最佳实践。
7. **错误处理和诊断**：介绍如何设计健壮的错误处理机制，以及如何利用处理器提供的工具来识别和解决问题。
8. **标准和规范**：遵循相关标准，如POSIX、Windows API或Linux内核接口，确保软件与不同平台的兼容性。
9. **案例研究和示例**：通过实际项目展示如何将理论知识应用于实践，帮助读者理解和应用所学内容。
最后，值得注意的是，这份文档仅作为参考，不构成对Intel产品的授权，也不包括任何明示或默示的知识产权许可。用户在使用时必须遵守Intel的销售条款，并意识到可能存在特定产品保修和法律限制。该文档旨在提供技术信息，而不是商业授权或法律咨询。对于特定的设计需求评估，开发者应参考所有五卷内容。
CONTENTS
xvi Vol. 3A
PAGE
CHAPTER 16
DEBUGGING, PROFILING BRANCHES AND TIME-STAMP COUNTER
16.1 OVERVIEW OF DEBUG SUPPORT FACILITIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-1
16.2 DEBUG REGISTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-2
16.2.1 Debug Address Registers (DR0-DR3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-4
16.2.2 Debug Registers DR4 and DR5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-4
16.2.3 Debug Status Register (DR6) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-4
16.2.4 Debug Control Register (DR7). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-5
16.2.5 Breakpoint Field Recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-6
16.2.6 Debug Registers and Intel
®
64 Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-8
16.3 DEBUG EXCEPTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-9
16.3.1 Debug Exception (#DB)—Interrupt Vector 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-9
16.3.1.1 Instruction-Breakpoint Exception Condition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-10
16.3.1.2 Data Memory and I/O Breakpoint Exception Conditions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-12
16.3.1.3 General-Detect Exception Condition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-12
16.3.1.4 Single-Step Exception Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-12
16.3.1.5 Task-Switch Exception Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-13
16.3.2 Breakpoint Exception (#BP)—Interrupt Vector 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-13
16.4 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION RECORDING OVERVIEW. . . . . . . . . . . . . . 16-14
16.4.1 IA32_DEBUGCTL MSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-14
16.4.2 Monitoring Branches, Exceptions, and Interrupts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-16
16.4.3 Single-Stepping on Branches, Exceptions, and Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-16
16.4.4 Branch Trace Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-17
16.4.5 Branch Trace Store (BTS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-17
16.4.6 CPL-Qualified Branch Trace Mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-18
16.4.7 Freezing LBR and Performance Counters on PMI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-18
16.4.8 LBR Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-19
16.4.8.1 LBR Stack and Intel
®
64 Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-20
16.4.8.2 LBR Stack and IA-32 Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-20
16.4.8.3 Last Exception Records and Intel 64 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-21
16.4.9 BTS and DS Save Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-21
16.4.9.1 DS Save Area and IA-32e Mode Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-25
16.4.9.2 Setting Up the DS Save Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-28
16.4.9.3 Setting Up the BTS Buffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-29
16.4.9.4 Setting Up CPL-Qualified BTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-30
16.4.9.5 Writing the DS Interrupt Service Routine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-31
16.5 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION RECORDING (INTEL
®
CORE
™
2 DUO AND
INTEL
®
ATOM
™
PROCESSOR FAMILY). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-32
16.5.1 LBR Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-33
16.6 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION RECORDING (INTEL
®
CORE
™
I7 PROCESSOR
FAMILY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-33
16.6.1 LBR Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-34
16.6.2 Filtering of Last Branch Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-35
16.7 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION RECORDING (PROCESSORS BASED ON INTEL
NETBURST
®
MICROARCHITECTURE). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-36
16.7.1 MSR_DEBUGCTLA MSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-37
16.7.2 LBR Stack for Processors Based on Intel NetBurst Microarchitecture . . . . . . . . . . . .16-38
16.7.3 Last Exception Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16-40
16.8 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION RECORDING (INTEL
®
CORE
™
SOLO AND
INTEL
®
CORE
™
DUO PROCESSORS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-41
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