x86-64处理器的几种运行模式

在32位时代，x86的operating mode有3种，实模式（Real Mode），保护模式（Protected Mode），虚拟8086模式（Virtual 8086 Mode）。实模式和保护模式已经在这个系列的文章里介绍过了。

虚拟8086模式是指利用一种硬件虚拟化技术，在i386的芯片上模拟出多个8086芯片。当处理器进入保护模式后，基于实模式的应用就不能直接运行了，采用虚拟8086模式，则可以让这些实模式的应用运行在基于保护模式的操作系统上，因此这种模式也被称为Virtual Real Mode。

进入64位的x64处理器时代后，产生了一种新的运行模式，叫Long Mode（intel手册里还把它叫做IA-32e Mode），传统的三种模式则被统称为Legacy Mode。Long Mode又分为2种子模式，分别是64位长模式（64-Bit Mode）和64位兼容模式（Compatibility Mode）。

因为Long Mode使用64位虚拟地址，所以不管是64-Bit Mode还是Compatibility Mode的，都要求操作系统和工具链必须是64位的，其中64-Bit Mode又要求应用程序也得是64位的（纯纯的64位啊）。

因此，现存的32位应用程序可以不经重新编译就在处于Compatibility Mode的64位操作系统上运行，但要在处于Long Mode的64位操作系统上运行，就必须重新编译了。

相比于x86，x64不仅将寄存器位宽增加到了64位，还增加了若干寄存器。通用寄存器GPRs（General Purpose Registers）从8个增加到16个，用于SSE/AVX指令集的XMM/YMM寄存器组的数量也翻倍了。更多的GPRs意味着编译器在使用寄存器保存变量时，有了更多的选择，可以减少memory traffic，进而提高软件的性能表现。

RISC架构的ARM从32位时代开始就有R0~R15共16个GPRs，现在CISC架构的x84的GPRs不仅数量增加了，连命名都跟ARM差不多了。只是……现在64位的ARM已经开始使用X0~X30共31个GPRs了。

从Lagacy Mode到Long Mode

置位EFER寄存器的LME位可以使能long mode。由于long mode要求paging必须开启，所以在进入long mode之前，还需要置位CR0寄存器的PG位。通过设置code segment的L位可在64-Bit Mode和Compatibility Mode之间切换。

不同模式下的内存管理

实模式下只有shift-and-add方式的segmentation，没有paging，80286保护模式下只有table-based方式的segmentation，也没有paging。80386及其之后的处理器同时有table-based方式的segmentation和paging，其中paging是可选的。

在64-Bit Mode下，segmentation机制虽然还存在，但已经被极度弱化，可以被忽略。Compatibility Mode对segmentation和paging的使用同保护模式类似，区别在于这里paging是必须的，不可以绕过。

Legacy Mode支持的最大虚拟地址为32位，普通page的大小是4KB, large page的大小可以是2MB或4MB（请参考这篇文章）。Long Mode理论上支持的最大虚拟地址为64位，普通page的大小也是4KB，large page的大小则可以是2MB或1GB（根据不同处理器架构的不同实现，其支持的最大虚拟地址和最大物理地址的位数会有所不同）。

其他差异

在Legay Mode中，用户空间可通过SYSENTER指令进入内核空间，内核空间则通过SYSEXIT指令返回用户空间。在此过程中，由于发生了segment切换，所以需要进行segmentation的各种检测，比较影响效率（因为segmentation和paging本来就是重复的，参考这篇文章）。

在Long Mode中，伴随着segmentation的弱化和flat momery model的使用，这2个指令不再被支持，取而代之的不需要segmentation检测的SYSCALL和SYSRET指令。

此外，Legacy Mode还提供了一种叫task-state segment (TSS) 的硬件机制，可以在发生task switch时，自动保存task的状态信息，可理解为硬件辅助的进程切换。由于主流操作系统很少用到这一机制，在Long Mode中已经不再支持TSS。

参考：

AMD64 ArchitectureProgrammer's Manual

原创文章，转载请注明出处。