第十课 实模式到保护模式 上

Posted 2020-12-05 wanmeishenghuo

　　远古时期的程序开发是直接操作物理内存的，CPU指令的操作数直接使用实地址（实际内存地址），程序员拥有绝对的权利，可以随意访问内存的任意一个地址，可以说是指哪打哪。

　　使用绝对的物理地址会带来很多问题，例如：

1、难以重定位，程序每次都需要同样地址的内存来运行。

2、给多道程序设计带来了障碍，也就是说，不管内存多大，但凡一个字节被其他程序占用都无法执行。

　　为了解决以上的问题，英特尔开发出了8086 CPU处理器，其引入了如下特性：

1、地址线宽度为20位，可访问1M内存空间

2、引入[段地址：偏移地址] 的内存访问方式

　　8086的段寄存器和通用寄存器为16位

　　单个寄存器寻址最多访问64K的内存空间

　　需要两个寄存器配合，完成所有内存空间的访问

下面我们来研究一下  段地址：偏移地址  的访问方式，其中硬件会做如下工作：

　　段地址左移4位，构成20位的基地址，也就是起始地址，这正好和20根地址线对应上

　　基地址 + 偏移地址 = 实地址

段地址 ：偏移地址的访问方式对开发者具有很大的意义：

　　更有效的划分内存的功能（数据段、代码段等）

　　当出现程序地址冲突时，通过修改段地址解决冲突，给重定位带来了方便

段地址：偏移地址的示例如下：

 

　　默认情况下，数据访问的段地址存在ds寄存器中，我们也可以显式的给出，例如把段地址放到es寄存器中。

 　　段地址：偏移地址的访问方式会产生一点小问题，例如，[段地址：偏移地址]能访问的最大地址为0xFFFF：0xFFFF，按照求实地址的方法得到最终的地址为10FFEF，这已经超过了1MB的空间，那么CPU如何进行处理呢？

看下面的推导：

　　0xFFFF：0xFFFF

　　　　->0xFFFF0 + 0xFFFF

　　　　　　->0xFFFF0 + (0xF + 0xFFF0)

　　　　　　　　->(0xFFFF0 + 0xF) + 0xFFF0

上面的0xFFFF0 + 0xF已经是1MB内存的最大地址了，再加上0xFFF0已经超出了物理内存大小，这超出的部分在8086中称为高端地址区（HMA）。

 　　上面的地址已经超过了20位，8086怎么处理呢？由于8086只有20位地址线，因此最高位被丢弃（溢出），如下所示：

　　8086是一款非常成功的产品，因此，拥有一大批的开发者和应用程序，各种基于8086程序设计的技术得到了发展，同时，各种奇淫技巧也应运而生，虽然8086解决了程序重定位的问题，但还是存在很多其他的问题：

1、1MB的内存完全不够用

2、开发者在程序中大量使用内存回卷技术（HMA地址被使用）

3、应用程序之间没有界限，相互之间随意干扰

　　A程序可以随意访问B程序中的数据

　　C程序可以修改系统调度程序的指令

 为了解决以上问题，英特尔的第二代CPU被开发出来，也即80286，8086已经有很多程序在运行了，因此，80286必须兼容8086，而且80286地址线的数量增加到了24位，[段地址：偏移地址]的访问方式也得到了强化：

　　1、为每一个段提供了更多的属性（如范围、特权级等）

　　2、为每个段的定义提供固定方式

 

默认情况下80286是完全兼容8086的运行方式（实模式），例如，默认可以访问1MB的内存空间、通过特殊的方式可以访问1MB+的内存空间。

这个特殊的方式就是使80286运行在保护模式下，实模式和保护模式有如下不同：

 

保护模式：

　　1、每一段内存拥有一个属性定义（描述符Descriptor）

　　2、所有段的属性定义构成一张表（描述符表Descriptor Table）

　　3、段寄存器保存的是段属性定义在表中的索引（选择子Selector）

描述符的内存结构如下：

 

描述符表如下：

 

选择子的结构如下：

 

80286进入保护模式的方式如下：

1、定义描述符表

2、打开A20地址线，使CPU支持24位地址

3、加载描述符表

4、通知CPU进入保护模式（通过设置CPU中的某个寄存器实现）