CPUID指令详解
CPUID详解
最近因为个人实验的原因，需要对CPUID指令的细节内容进行详细的分析。具体到CPUID对应不同参数的执行，以及执行结束后寄存器的每一位值的含义。这里把了解到的内容进行总结，也让自己对CPUID指令执行的大致思路更加清晰。
本文主要分为几个方面：
- CPUID指令概述
- 不同处理器支持的参数范围
- CPUID的返回值分析
一、CPUID指令概述
1.1 CPUID定义
官方对CPUID的定义为：
| Opcode | Instruction | Op/En | 64-Bit Mode | Compat/Leg Mode | Description |
|---|---|---|---|---|---|
| 0F A2 | CPUID | ZO | Valid | Valid | Returns processor identification and feature information to the EAX, EBX, ECX, and EDX registers, as determined by input entered in EAX (in some cases, ECX as well). |
Instruction Operand Encoding：
| Op/En | Operand 1 | Operand 2 | Operand 3 | Operand 4 |
|---|---|---|---|---|
| ZO | NA | NA | NA | NA |
1.2 判断当前处理器是否支持CPUID指令
不是所有的处理器都支持CPUID指令的执行。EFLAGS寄存器中的ID标志（第21位）表示支持CPUID指令。如果软件过程可以设置并清除此标志，则执行该过程的处理器将支持CPUID指令。 该指令在非64位模式和64位模式下的操作相同。
1.3 CPUID指令的输入参数
CPUID指令有多种执行路径。选择哪种执行路径，大多取决于指令执行时EAX的值，有时也会受ECX值的影响。也就是说，CPUID指令的输入参数可以认为是：EAX和ECX。
1.4 CPUID指令的输出
总的来说，CPUID指令返回处理器标识（identification）和功能信息（feature information）。返回值存放在EAX、EBX、ECX、EDX中。返回信息依据1.3中提及的EAX和ECX来决定。具体返回信息的含义，将在3.1中详细解读。
二、不同处理器支持的参数范围
从最初不支持CPUID指令的处理器，到逐渐支持几个EAX参数的处理器，再到后来支持多种EAX参数的处理器。这个演化的过程对于我们分析CPUID指令运行的含义是有必要的。下表是不同的处理器所能支持的参数的最大值，根据此表，我们就可以明确的知道哪些CPUID的参数，对应的处理器是暂不支持的。
CPUID返回两种类型的信息：基本信息和扩展信息。两种类型分别有对应的EAX参数范围，如下。这里我们以Intel Xeon Processors为例，可以看到对于基本信息，他所能支持的最大参数是EAX=02H；对于扩展信息，他所能支持的最大参数是80000004H。
| Intel 64 or IA-32 Processors | Basic Information | Extended Function Information |
|---|---|---|
| Earlier Intel486 Processors | CPUID Not Implemented | CPUID Not Implemented |
| Later Intel486 Processors and Pentium Processors | 01H | Not Implemented |
| Pentium Pro and Pentium II Processors, Intel® Celeron® Processors | 02H | Not Implemented |
| Pentium III Processors | 03H | Not Implemented |
| Pentium 4 Processors | 02H | 80000004H |
| Intel Xeon Processors | 02H | 80000004H |
| Pentium M Processor | 02H | 80000004H |
| Pentium 4 Processor supporting Hyper-Threading Technology | 05H | 80000008H |
| Pentium D Processor (8xx) | 05H | 80000008H |
| Pentium D Processor (9xx) | 06H | 80000008H |
| Intel Core Duo Processor | 0AH | 80000008H |
| Intel Core 2 Duo Processor | 0AH | 80000008H |
| Intel Xeon Processor 3000, 5100, 5200, 5300, 5400 Series | 0AH | 80000008H |
| Intel Core 2 Duo Processor 8000 Series | 0DH | 80000008H |
| Intel Xeon Processor 5200, 5400 Series | 0AH | 80000008H |
| Intel Atom Processor | 0AH | 80000008H |
| Intel Core i7 Processor | 0BH | 80000008H |
三、不同参数的返回值分析
我们将CPUID的执行情况分为以下几种：
- CPUID.EAX的值大于基本信息或扩展信息的最大参数值。
- CPUID.EAX的值小于等于基本信息或扩展信息的最大参数值，但当前处理器不支持此参数。
- CPUID.EAX的值小于等于基本信息或扩展信息的最大参数值，处理器也支持该参数。
- 其他
下边我们分别对这几种情况的输出进行详细的分析。
3.1 CPUID.EAX的值大于基本信息或扩展信息的最大参数值
在这种情况下，CPUID指令的运行相当于此时的CPUID.EAX=最大的基本信息参数。例如，以Intel Xeon Processors为例，从2中表项可知，其支持的最大基本CPUID.EAX=02H，最大扩展CPUID.EAX=80000004H。那么如果执行CPUID.EAX=03H，或CPUID.EAX=80000005H，都会返回CPUID.EAX=02H的返回值。
3.2 CPUID.EAX的值小于等于基本信息或扩展信息的最大参数值，但当前处理器不支持此参数。
首先对这种情况进行说明。”CPUID.EAX的值小于等于基本信息或扩展信息的最大参数值“的含义是该参数可能（并不一定）是处理器支持的，因为CPUID.EAX的参数值并不是连续变化的，如没有对应CPUID.EAX=08H以及CPUID.EAX=0CH的返回值说明，但确实存在CPUID.EAX的基本信息的最大参数大于08H和0CH的情况。这里以Intel Core 2 Duo Processor 8000 Series为例，可知其基本信息的最大参数为0DH，但是处理器并不支持CPUID.EAX=08H或CPUID.EAX=0CH。
这种情况下，CPUID指令运行的结果为所有寄存器信息的返回值为0，即EAX=EBX=ECX=EDX=0x00000000H。
3.3 CPUID.EAX的值小于等于基本信息或扩展信息的最大参数值，当前处理器也支持此参数。
这就是常规的CPUID指令运行。下边详述每一种情况下返回值的具体信息。由于篇幅的原因，并且本人在这里描述的粒度无法达到官方文档的描述，因此下表只涉及到一部分返回值的说明。更细粒度的说明请见https://www.felixcloutier.com/x86/cpuid。
| CPUID.EAX | Leaf | Description |
|---|---|---|
| 00H | Basic CPUID Information | EAX：基本信息的最大参数值；EBX：“Genu”；ECX：“ntel” EDX：“ineI”。 |
| 01H | Basic CPUID Information | EAX Version Information: Type, Family, Model, and Stepping ID；EBX/ECX/EDX详见https://www.felixcloutier.com/x86/cpuid。 |
| 02H | Basic CPUID Information | EAX/EBX/ECX/EDX：Cache和TLB信息。 |
| 03H | Basic CPUID Information | 除Pentium III processor，EAX/EBX/EAC/EDX保留；Pentium III processor，EAX/EBX保留，ECX/EDX表示PSN（processor serial number）。 |
| 04H | Deterministic Cache Parameters Leaf | Leaf 04H output depends on the initial value in ECX。详见https://www.felixcloutier.com/x86/cpuid。 |
| 05H | MONITOR/MWAIT Leaf | EAX Bits 15 - 00: Smallest monitor-line size in bytes，Bits 31 - 16: Reserved = 0；EBX Bits 15 - 00: Largest monitor-line size in bytes ，Bits 31 - 16: Reserved = 0；ECX Bit 00: Enumeration of Monitor-Mwait extensions supported，Bit 01: Supports treating interrupts as break-event for MWAIT, even when interrupts disabled，Bits 31 - 02: Reserved。 |
| 06H | Thermal and Power Management Leaf | 详见https://www.felixcloutier.com/x86/cpuid。 |
| 07H | Structured Extended Feature Flags Enumeration Leaf | 返回值与ECX有关。该返回值主要是处理器的大量扩展特性，通过标志位来标识是否具有该特性。这些特性的具体含义可参见此文：关于/proc/cpuinfo文件。 |
| 09H | Direct Cache Access Information Leaf | EAX Value of bits [31:0] of IA32_PLATFORM_DCA_CAP MSR (address 1F8H)；EBX Reserved；ECX Reserved；EDX Reserved。 |
| 0AH | Architectural Performance Monitoring Leaf | 详见https://www.felixcloutier.com/x86/cpuid。 |
| 0BH | Extended Topology Enumeration Leaf | CPUID leaf 1FH is a preferred superset to leaf 0BH；Intel 建议在使用EAX=0BH之前检查EAX=1F是否存在。返回值与ECX有关。 |
| … | … | … |
| 40000000H -4FFFFFFFH | Unimplemented CPUID Leaf Functions | 无效。现存的CPU处理器将不会返回CPU的相关信息和功能特性信息。 |
| 80000000H | Extended Function CPUID Information | EAX为CPU扩展信息的最大参数值. EBX Reserved. ECX Reserved. |
| 80000001H | Extended Function CPUID Information | 详见https://www.felixcloutier.com/x86/cpuid。 |
| 80000002H | Extended Function CPUID Information | EAX Processor Brand String. EBX Processor Brand String Continued. ECX Processor Brand String Continued. EDX Processor Brand String Continued. |
| 80000003H | Extended Function CPUID Information | EAX Processor Brand String Continued. EBX Processor Brand String Continued. ECX Processor Brand String Continued. EDX Processor Brand String Continued. |
| … | … | … |
3.4 其他
这里主要特殊说明CPUID.EAX=40000000H-4FFFFFFFH的情况。上表也已说明。如果参数值在此区间，为无效。现存的CPU处理器将不会返回CPU的相关信息和功能特性信息。