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首页Intel IA-32架构软件开发者手册第3A部分
"Intel IA-32架构软件开发者手册第3A部分:系统编程指南,第1部分"
《Intel IA-32架构软件开发者手册》是Intel公司为开发人员提供的一套全面的技术参考文档,旨在帮助他们理解和利用Intel IA-32架构进行系统编程。该手册由五个卷组成,涵盖了IA-32架构的基础、指令集参考以及系统编程的各个方面。本摘要将主要关注第三卷的第一部分——系统编程指南,第1部分。
IA-32架构是Intel公司的一种处理器架构,广泛应用于个人计算机和其他嵌入式系统中。它定义了处理器的操作模式、指令集、内存管理、中断处理、异常处理等关键特性。第3A部分的系统编程指南主要关注操作系统和系统级软件如何与硬件交互,以实现高效和稳定的运行。
在本卷中,读者可以了解到以下几个关键知识点:
1. **处理器操作模式**:IA-32架构支持多种操作模式,包括实地址模式、保护模式、虚拟8086模式、系统管理模式和长期运行的64位模式(Intel®64)。这些模式各自有不同的内存管理和访问权限控制机制。
2. **内存管理**:包括分页和分段机制,用于将物理内存映射到虚拟地址空间。分页允许动态分配和回收内存,而分段则提供了逻辑地址空间的隔离和保护。
3. **异常和中断处理**:介绍了处理器如何响应内部错误、外部事件(如I/O请求)以及其他需要处理器中断当前执行流的情况。中断描述符表(IDT)和异常向量表是关键的数据结构,用于管理中断处理流程。
4. **处理器状态和控制**:涵盖了各种控制寄存器,如CR0、CR2、CR3等,它们用于控制处理器的行为和配置系统级特性,如分页启用、虚拟化支持等。
5. **输入/输出(I/O)系统**:包括I/O端口的使用,中断向量的配置,以及DMA(直接存储器访问)操作,这些都是系统级软件与硬件设备通信的关键。
6. **系统服务和中断处理例程**:解释了如何编写和调用系统服务例程,以及如何处理中断服务例程,以实现操作系统内核与用户程序之间的交互。
7. **性能监控**:介绍使用性能计数器和相关的系统编程接口来收集和分析处理器的性能数据,以便进行优化。
8. **多处理器系统编程**:对于多核心或多处理器系统,本手册会阐述如何进行同步、通信和资源管理,以实现并行计算和负载均衡。
9. **安全和可靠性**:涵盖内存保护机制、故障恢复和调试技术,以及如何避免和处理系统崩溃等问题。
《Intel IA-32架构软件开发者手册》第3A部分是系统程序员、驱动开发者和操作系统设计者的重要参考资料,它提供了深入了解和控制Intel IA-32架构所需的深入细节和技术指导。通过阅读和理解这份手册,开发者能够更好地优化其软件,确保与Intel处理器的兼容性和高性能。
CONTENTS
xvi Vol. 3A
PAGE
15.3.2 Class 2—Maskable Hardware Interrupt Handling in Virtual-8086 Mode Using the Virtual
Interrupt Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-22
15.3.3 Class 3—Software Interrupt Handling in Virtual-8086 Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-24
15.3.3.1 Method 1: Software Interrupt Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-27
15.3.3.2 Methods 2 and 3: Software Interrupt Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-28
15.3.3.3 Method 4: Software Interrupt Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-28
15.3.3.4 Method 5: Software Interrupt Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-28
15.3.3.5 Method 6: Software Interrupt Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15-29
15.4 PROTECTED-MODE VIRTUAL INTERRUPTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15-30
CHAPTER 16
MIXING 16-BIT AND 32-BIT CODE
16.1 DEFINING 16-BIT AND 32-BIT PROGRAM MODULES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-2
16.2 MIXING 16-BIT AND 32-BIT OPERATIONS WITHIN A CODE SEGMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-2
16.3 SHARING DATA AMONG MIXED-SIZE CODE SEGMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-4
16.4 TRANSFERRING CONTROL AMONG MIXED-SIZE CODE SEGMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-4
16.4.1 Code-Segment Pointer Size. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-5
16.4.2 Stack Management for Control Transfer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-5
16.4.2.1 Controlling the Operand-Size Attribute For a Call . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-7
16.4.2.2 Passing Parameters With a Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-8
16.4.3 Interrupt Control Transfers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-8
16.4.4 Parameter Translation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-8
16.4.5 Writing Interface Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16-9
CHAPTER 17
ARCHITECTURE COMPATIBILITY
17.1 PROCESSOR FAMILIES AND CATEGORIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-1
17.2 RESERVED BITS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-2
17.3 ENABLING NEW FUNCTIONS AND MODES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-2
17.4 DETECTING THE PRESENCE OF NEW FEATURES THROUGH SOFTWARE . . . . . . . . . . . . . . 17-3
17.5 INTEL MMX TECHNOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-3
17.6 STREAMING SIMD EXTENSIONS (SSE). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-3
17.7 STREAMING SIMD EXTENSIONS 2 (SSE2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-4
17.8 STREAMING SIMD EXTENSIONS 3 (SSE3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-4
17.9 ADDITIONAL STREAMING SIMD EXTENSIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-4
17.10 INTEL HYPER-THREADING TECHNOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-5
17.11 MULTI-CORE TECHNOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-5
17.12 SPECIFIC FEATURES OF DUAL-CORE PROCESSOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-5
17.13 NEW INSTRUCTIONS IN THE PENTIUM AND LATER IA-32 PROCESSORS . . . . . . . . . . . . . . 17-5
17.13.1 Instructions Added Prior to the Pentium Processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-6
17.14 OBSOLETE INSTRUCTIONS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-7
17.15 UNDEFINED OPCODES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-7
17.16 NEW FLAGS IN THE EFLAGS REGISTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-7
17.16.1 Using EFLAGS Flags to Distinguish Between 32-Bit IA-32 Processors . . . . . . . . . . . . . 17-8
17.17 STACK OPERATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-8
17.17.1 PUSH SP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-8
17.17.2 EFLAGS Pushed on the Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-9
17.18 X87 FPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-9
17.18.1 Control Register CR0 Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-9
17.18.2 x87 FPU Status Word . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-10
Vol. 3A xvii
CONTENTS
PAGE
17.18.2.1 Condition Code Flags (C0 through C3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-10
17.18.2.2 Stack Fault Flag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-11
17.18.3 x87 FPU Control Word . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-11
17.18.4 x87 FPU Tag Word . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-11
17.18.5 Data Types. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12
17.18.5.1 NaNs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-12
17.18.5.2 Pseudo-zero, Pseudo-NaN, Pseudo-infinity, and Unnormal Formats. . . . . . . . . . . 17-12
17.18.6 Floating-Point Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-13
17.18.6.1 Denormal Operand Exception (#D). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-13
17.18.6.2 Numeric Overflow Exception (#O) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-13
17.18.6.3 Numeric Underflow Exception (#U) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-14
17.18.6.4 Exception Precedence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-14
17.18.6.5 CS and EIP For FPU Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-14
17.18.6.6 FPU Error Signals. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-14
17.18.6.7 Assertion of the FERR# Pin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-15
17.18.6.8 Invalid Operation Exception On Denormals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-15
17.18.6.9 Alignment Check Exceptions (#AC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-16
17.18.6.10 Segment Not Present Exception During FLDENV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-16
17.18.6.11 Device Not Available Exception (#NM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-16
17.18.6.12 Coprocessor Segment Overrun Exception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-16
17.18.6.13 General Protection Exception (#GP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-16
17.18.6.14 Floating-Point Error Exception (#MF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-16
17.18.7 Changes to Floating-Point Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-17
17.18.7.1 FDIV, FPREM, and FSQRT Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-17
17.18.7.2 FSCALE Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-17
17.18.7.3 FPREM1 Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-17
17.18.7.4 FPREM Instruction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-17
17.18.7.5 FUCOM, FUCOMP, and FUCOMPP Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-17
17.18.7.6 FPTAN Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-18
17.18.7.7 Stack Overflow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-18
17.18.7.8 FSIN, FCOS, and FSINCOS Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-18
17.18.7.9 FPATAN Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-18
17.18.7.10 F2XM1 Instruction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-18
17.18.7.11 FLD Instruction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-18
17.18.7.12 FXTRACT Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-19
17.18.7.13 Load Constant Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-19
17.18.7.14 FSETPM Instruction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-19
17.18.7.15 FXAM Instruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-20
17.18.7.16 FSAVE and FSTENV Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-20
17.18.8 Transcendental Instructions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-20
17.18.9 Obsolete Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-20
17.18.10 WAIT/FWAIT Prefix Differences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-21
17.18.11 Operands Split Across Segments and/or Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-21
17.18.12 FPU Instruction Synchronization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-21
17.19 SERIALIZING INSTRUCTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-21
17.20 FPU AND MATH COPROCESSOR INITIALIZATION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-22
17.20.1 Intel
®
387 and Intel
®
287 Math Coprocessor Initialization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-22
17.20.2 Intel486 SX Processor and Intel 487 SX Math Coprocessor Initialization . . . . . . . . . 17-22
17.21 CONTROL REGISTERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-24
17.22 MEMORY MANAGEMENT FACILITIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-25
17.22.1 New Memory Management Control Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-25
17.22.1.1 Physical Memory Addressing Extension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-25
CONTENTS
xviii Vol. 3A
PAGE
17.22.1.2 Global Pages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-26
17.22.1.3 Larger Page Sizes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-26
17.22.2 CD and NW Cache Control Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-26
17.22.3 Descriptor Types and Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-26
17.22.4 Changes in Segment Descriptor Loads. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-26
17.23 DEBUG FACILITIES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-27
17.23.1 Differences in Debug Register DR6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-27
17.23.2 Differences in Debug Register DR7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-27
17.23.3 Debug Registers DR4 and DR5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-27
17.24 RECOGNITION OF BREAKPOINTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-27
17.25 EXCEPTIONS AND/OR EXCEPTION CONDITIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-28
17.25.1 Machine-Check Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-29
17.25.2 Priority OF Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-29
17.26 INTERRUPTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-30
17.26.1 Interrupt Propagation Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-30
17.26.2 NMI Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-30
17.26.3 IDT Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-30
17.27 ADVANCED PROGRAMMABLE INTERRUPT CONTROLLER (APIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-31
17.27.1 Software Visible Differences Between the Local APIC and the 82489DX. . . . . . . . .17-31
17.27.2 New Features Incorporated in the Local APIC for the P6 Family
and Pentium Processors
17-32
17.27.3 New Features Incorporated in the Local APIC of the Pentium 4 and Intel Xeon Processors
17-32
17.28 TASK SWITCHING AND TSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-32
17.28.1 P6 Family and Pentium Processor TSS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-32
17.28.2 TSS Selector Writes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-33
17.28.3 Order of Reads/Writes to the TSS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-33
17.28.4 Using A 16-Bit TSS with 32-Bit Constructs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-33
17.28.5 Differences in I/O Map Base Addresses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-33
17.29 CACHE MANAGEMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-34
17.29.1 Self-Modifying Code with Cache Enabled . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-35
17.29.2 Disabling the L3 Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-35
17.30 PAGING. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-36
17.30.1 Large Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-36
17.30.2 PCD and PWT Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-36
17.30.3 Enabling and Disabling Paging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-36
17.31 STACK OPERATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-37
17.31.1 Selector Pushes and Pops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-37
17.31.2 Error Code Pushes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-38
17.31.3 Fault Handling Effects on the Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-38
17.31.4 Interlevel RET/IRET From a 16-Bit Interrupt or Call Gate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-38
17.32 MIXING 16- AND 32-BIT SEGMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-38
17.33 SEGMENT AND ADDRESS WRAPAROUND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-39
17.33.1 Segment Wraparound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-39
17.34 STORE BUFFERS AND MEMORY ORDERING. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-40
17.35 BUS LOCKING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-42
17.36 BUS HOLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-42
17.37 MODEL-SPECIFIC EXTENSIONS TO THE IA-32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-42
17.37.1 Model-Specific Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-42
17.37.2 RDMSR and WRMSR Instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-43
17.37.3 Memory Type Range Registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-43
17.37.4 Machine-Check Exception and Architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17-44
Vol. 3A xix
CONTENTS
PAGE
17.37.5 Performance-Monitoring Counters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-44
17.38 TWO WAYS TO RUN INTEL 286 PROCESSOR TASKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17-44
CHAPTER 18
DEBUGGING AND PERFORMANCE MONITORING
18.1 OVERVIEW OF DEBUG SUPPORT FACILITIES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-1
18.2 DEBUG REGISTERS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-2
18.2.1 Debug Address Registers (DR0-DR3) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-4
18.2.2 Debug Registers DR4 and DR5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-4
18.2.3 Debug Status Register (DR6). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-4
18.2.4 Debug Control Register (DR7) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-5
18.2.5 Breakpoint Field Recognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-6
18.2.6 Debug Registers and Intel
®
64 Processors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-8
18.3 DEBUG EXCEPTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-9
18.3.1 Debug Exception (#DB)—Interrupt Vector 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-9
18.3.1.1 Instruction-Breakpoint Exception Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-10
18.3.1.2 Data Memory and I/O Breakpoint Exception Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-12
18.3.1.3 General-Detect Exception Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-12
18.3.1.4 Single-Step Exception Condition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-12
18.3.1.5 Task-Switch Exception Condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-13
18.3.2 Breakpoint Exception (#BP)—Interrupt Vector 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-13
18.4 LAST BRANCH RECORDING OVERVIEW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-14
18.5 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION RECORDING (INTEL
®
CORE
™
2 DUO AND
INTEL
®
ATOM
™
PROCESSOR FAMILY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-14
18.5.1 IA32_DEBUGCTL MSR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-15
18.5.2 LBR Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-17
18.5.3 BTS and Related Facilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-18
18.5.3.1 Freezing LBR and Performance Counters on PMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-18
18.5.3.2 Debug Store (DS) Mechanism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-19
18.6 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION RECORDING (INTEL
®
CORE
™
I7 PROCESSOR
FAMILY). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-20
18.6.1 LBR Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-21
18.6.2 Filtering of Last Branch Records. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-22
18.7 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION RECORDING (PROCESSORS BASED ON INTEL
NETBURST
®
MICROARCHITECTURE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-22
18.7.1 CPL-Qualified Branch Trace Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-23
18.7.2 MSR_DEBUGCTLA MSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-26
18.7.3 LBR Stack for Processors Based on Intel NetBurst Microarchitecture . . . . . . . . . . . . 18-27
18.7.3.1 LBR Stack and Intel
®
64 Processors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-28
18.7.4 Monitoring Branches, Exceptions, and Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-28
18.7.5 Single-Stepping on Branches, Exceptions, and Interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-29
18.7.6 Branch Trace Messages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-29
18.7.7 Last Exception Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-30
18.7.7.1 Last Exception Records and Intel 64 Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-30
18.7.8 Branch Trace Store (BTS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-30
18.7.8.1 Detection of the BTS Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-30
18.7.8.2 Setting Up the DS Save Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-31
18.7.8.3 Setting Up the BTS Buffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-32
18.7.8.4 Setting Up CPL-Qualified BTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-33
18.7.8.5 Writing the DS Interrupt Service Routine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-34
CONTENTS
xx Vol. 3A
PAGE
18.8 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION RECORDING (INTEL
®
CORE
™
SOLO AND
INTEL
®
CORE
™
DUO PROCESSORS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-35
18.9 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION
RECORDING (PENTIUM M PROCESSORS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-37
18.10 LAST BRANCH, INTERRUPT, AND EXCEPTION
RECORDING (P6 FAMILY PROCESSORS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-39
18.10.1 DEBUGCTLMSR Register. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-39
18.10.2 Last Branch and Last Exception MSRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-40
18.10.3 Monitoring Branches, Exceptions, and Interrupts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-41
18.11 TIME-STAMP COUNTER. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-42
18.11.1 Invariant TSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-43
18.11.2 IA32_TSC_AUX Register and RDTSCP Support. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-44
18.12 PERFORMANCE MONITORING OVERVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-44
18.13 ARCHITECTURAL PERFORMANCE MONITORING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-45
18.13.1 Architectural Performance Monitoring Version 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-46
18.13.1.1 Architectural Performance Monitoring Version 1 Facilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-47
18.13.2 Additional Architectural Performance Monitoring Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-49
18.13.2.1 Architectural Performance Monitoring Version 2 Facilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-50
18.13.2.2 Architectural Performance Monitoring Version 3 Facilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-53
18.13.3 Pre-defined Architectural Performance Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-56
18.14 PERFORMANCE MONITORING (INTEL
®
CORE
™
SOLO AND INTEL
®
CORE
™
DUO
PROCESSORS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-58
18.15 PERFORMANCE MONITORING (PROCESSORS BASED ON INTEL
®
CORE
™
MICROARCHITECTURE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-60
18.15.1 Fixed-function Performance Counters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-62
18.15.2 Global Counter Control Facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-63
18.15.3 At-Retirement Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-65
18.15.4 Precise Event Based Sampling (PEBS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-66
18.15.4.1 Setting up the PEBS Buffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-67
18.15.4.2 PEBS Record Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-67
18.15.4.3 Writing a PEBS Interrupt Service Routine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-67
18.16 PERFORMANCE MONITORING (PROCESSORS BASED ON INTEL
®
ATOM
™
MICROARCHITECTURE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-69
18.17 PERFORMANCE MONITORING FOR PROCESSORS BASED ON INTEL
®
MICROARCHITECTURE
(NEHALEM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-70
18.17.1 Enhancements of Performance Monitoring in the Processor Core . . . . . . . . . . . . . . . .18-71
18.17.1.1 Precise Event Based Sampling (PEBS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-71
18.17.1.2 Load Latency Performance Monitoring Facility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-76
18.17.1.3 Off-core Response Performance Monitoring in the Processor Core. . . . . . . . . . . .18-78
18.17.2 Performance Monitoring Facility in the Uncore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-81
18.17.2.1 Uncore Performance Monitoring Management Facility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-81
18.17.2.2 Uncore Performance Event Configuration Facility. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-84
18.17.2.3 Uncore Address/Opcode Match MSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-86
18.18 PERFORMANCE MONITORING (PROCESSORS
BASED ON INTEL NETBURST MICROARCHITECTURE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-87
18.18.1 ESCR MSRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-91
18.18.2 Performance Counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-93
18.18.3 CCCR MSRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-94
18.18.4 Debug Store (DS) Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18-97
18.18.5 DS Save Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-97
18.18.5.1 DS Save Area and IA-32e Mode Operation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18-101
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