实模式

Posted 2021-02-01 mlzrq

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• 实模式分段机制
• 实模式：数据访问
• 实模式指令执行
• 实模式下内存访问范围
• 实模式内存分配

实模式分段机制

1. 为什么要分段

8086cpu有20根地址总线,可以访问 1M (1<<20 )的内存空间,DS段寄存器寻址能力,为64kb的内存空间。

地址总线寻址能力：1M
段寄存器寻址能力 : 64kb

因此段寄存器明显是不够用的。无法进行20位的寻址。这时候就需要引入分段机制，使用DS段寄存器，配合一个偏移地址，来共同寻址。从而达到20位的寻址能力。

20位寻址能力 ：DS段寄存器(16位) << 4 +  偏移地址

这样刚好达到20位寻址能力，这样根据一个段寄存器和一个偏移地址，就能确定指令或者数据在内存的位置了（归根结底还是段寄存器不够大，导致单独一个段寄存器不够用的）。

当程序执行时，可以设置一个段地址为开始地址，其他的段内地址为段开始地址+段内偏移地址。这样来决定一条指令的位置。

在这种模式下，CPU提供了3个段寄存器，首先一个代码段寄存器CS，数据段寄存器DS，还有一个ES附加段寄存器。

在32位系统中，CPU有2种工作模式，分别为实模式和保护模式。

实模式的寻址方式

由于最早的8086CPU只有20根总线，而寻址能用到的只有16根。所以实模式采用的是16位总线的寻址方式。开始执行Bios之后，计算机首先就是进入的实模式。

关于总线宽度：http://www.cpu-world.com/CPUs/CPU.html

计算方式：物理地址 = DS段值 * 0x10 + BX偏移

实模式是兼容8086cpu的，采用的是16位的寻址方式，段寄存器的大小局限为16位。使用段寄存器 << 4 + 偏移地址这种方式的寻址范围只能使用1M左右的内存。相对于1G以上的内存，这个寻址范围肯定是不够用的。

• 实模式寻址为什么需要偏移

cpu的总线为20位，寻址范围就为 1 << 20 = 1024KB。但是cpu的段寄存器只有16位，可使用寻址范围为1 << 16 ＝64kb，那么明显不够用的。因此在计算地址时使用一个基址段寄存器 以及一个偏移地址，然后以DS段值+偏移地址进行计算，换算成20位总线地址。

2. 代码段和数据段

一个可执行程序一般包含代码段和数据段两部分。比如显示字符串的功能，将字符串文本数据和显示函数放在2个位置。

1. 代码段

   因为处理器是自动从一个开始地址中取出指令开始执行，如果没有指令进行跳转的话。则依次取出下一条指令继续执行。而这些完成某个工作的指令集中在内存的连续一段区域，称为代码段。

   内存中指令位置:

   [CS段寄存器 : IP指令指针寄存器]

2. 数据段

   程序操作的数据也集中一起，放在内存的连续一段区域，称为数据段。

   内存中数据位置:

   [DS段寄存器:偏移地址]

3. 分段后寻址方式

8086的20位总线寻址方式：

总线寻址（访问内存地址）：CPU到内存提供20根总线，也就是20位的寻址，寻址能力为2^20，等于1M。

寄存器寻址（通过寄存器访问内存地址）：段寄存器的大小为16位，也就是说CPU的段寄存器存储的地址只有16位，单个段寄存器的寻址能力为2<<16,大概等于64KB。

因此，只通过一个段寄存器是无法在实模式下完全访问1M内存的，这样相当于浪费了总线到内存的访问能力。

因此需要使用个段寄存器加上一个偏移地址，在内存地址以及寄存器地址之间做一个转换的方式来指定地址。

内存地址（20位） = 段寄存器  << 4 + 偏移地址

• ps：16位包含的地址数为：0x0000-0xhhhh，大小为2^16总共为64K，而20位包含的地址为 0x00000-0xhhhhh,总共为1M(也就是1024K);使用2个寄存器做映射，保证了可以访问1M的内存地址
• 偏移地址可以使用寄存器或者立即数，偏移地址使用寄存器时，只能为BX,SI,DI,BP中之一.

实模式：数据访问

1. 内存单元:

内存单元，一个内存单元的大小是一字节:1B(1BYTE)。

内存单元的地址：

内存单元表示方式为:

[基本地址 : 偏移地址]

计算方式：

内存单元地址 = 基本地址 << 4+偏移地址

2. 内存单元的数据

内存单元的数据，大小为16B,内存单元的数据，是根据［内存单元地址］来获取的。

CPU是根据DS段地址和偏移地址来定位内存单元的地址/

访问内存单元的数据使用

[段寄存器值 : 偏移地址]

来表示根据

得到的内存地址处的内存单元 = 段寄存器值 << 4 + 偏移地址。

如果不指定段寄存器，CPU执行时默认会取DS段寄存器值进行计算。

默认使用DS段寄存器
内存单元的数据: [偏移地址] = [DS段寄存器:偏移地址]

3. 访问内存数据(16位）

访问内存，需要使用到段寄存器：DS段寄存器

内存单元读写

读取内存单元的数据到寄存器中：
例如

mov ds,0x10000
mov ax,[0x10]       ;ax = [0x10000:0x10]

段寄存器不能使用常量立即数赋值，所以必须使用一个中间的数据寄存器来操作

例如读取[0x10000H:0x0016H]的数据到al寄存器中

mov bx,0x10000
mov ds,bx                   ;ds = 0x10000
mov al,[0x0016]         ;al = [0x10000:0x0016WW]

访问范围

实模式下，偏移地址也是16位的，限制位 0x0000 ~ 0xffff。所以如果访问超出这个范围的内存地址，只使用偏移地址是不行的。

如下：
[偏移地址] 寻址范围： 0x0000 ~ 0xffff
[段寄存器值 :偏移地址] 寻址范围 ： 0x0_0000 ~ 0xf_ffff

实模式指令执行

段寄存器赋值

1. 段寄存器赋值
   因为intel处理器不允许直接将段寄存器进行‘立即数‘赋值，因此如果使用段寄存器的话，必须先将‘立即数‘放到通用寄存器,然后复制通用寄存器的数据到段寄存器中。

   比如：
   ? MOV 通用寄存器 , 0x7c00
   ? MOV 段寄存器,通用寄存器
   或者：
   ? MOV 段寄存器,内存地址

2. 段寄存器范围

   实模式下，段的寄存器为16位，范围为 0x0000 ～ 0xFFFF，当超出0xFFFF就会进位，继续回到 0x0000的值。

3. 段内地址赋值

   当我们使用一个段地址时，可以使用一下方式

   MOV [0x1000:0x000b], 0x100

   其中0x1000为段地址，0x000b为偏移地址，0x100为操作数的值。

   这个表达式意思为设置地址 DS * 0xf + 0x000b 的值为0x100。

   当然，不过也可以不指定 0x1000，那么偏移会默认以DS中的值为基点，计算偏移后的地址

   比如

   MOV [0x000b], 0x100

* 关于[]表名这个是地址，而不是操作数。如果在右边不加[]时为操作数，而加入[]则表示一个地址，当运算会以地址指向的数据来进行计算。

指令执行

执行指令，需要使用到段寄存器：CS段寄存器 和 IP指令指针寄存器

CPU每次执行内存中指令，都需要一个内存地址。这个地址为内存中的指令代码地址。

CPU是根据寄存器来获取到这个地址并且执行这个地址的指令的。使用到2个寄存器来获取指令地址：CS和IP

1. 指令执行

1.首先CPU根据CS和IP获取到内存地址，将内存中对应的指令放入指令缓冲器等待执行。
2.之后IP寄存器的值会自动增加，使得CS和IP的地址指向内存中的下一条指令。
3.使用JMP指令可以修改CS，IP的值

例如，执行CS:0x0003H,IP:0x0016H地址的指令

JMP 0x0003:0x0016    ;跳转到内存 0x0003H<<4 + 0x0016H处

1. 指令的内存地址
   指令的内存地址使用：CS段寄存器:IP指令指针寄存器 来表示。
   例如:

   0x0003:0x0016 ;代表内存 0x0003<< 4 + 0x0016处的指令。

实模式下内存访问范围

在实模式下：

内存单元的数据大小为1个字节 (16B).

基本地址是使用一个16位的段寄存器的值,而偏移地址是一个16位的值。

如果没有显式说明段寄存器，默认基本地址使用DS段寄存器。

访问范围 0x0000 ~ 0x10FFEF (0xFFFF << 4 + 0xFFFF )

当程序访问0x100000~0x10FFEF这一段地址时，因为其逻辑上是正常的，CPU并不会认为其访问越界而产生异常，但这段地址确实没有实际的物理地址与其对应，会截取掉最高的一位，进行回绕访问。

实模式内存分配

首先我们需要对程序在内存中分配的位置有个大概的定义。
首先是实模式下的1M空间的内存，分配

这1M大小的内存区域位并不完全位于通常的内存条中，会被BIOS以及显卡等占据一部分。

其中0x00000~0x9FFFF位置是属于内存条的地址。
0xA0000~0xEFFFF提供给外围设备使用，例如显卡等。
而0xF0000~0xFFFFF是属于BIOS的ROM地址。

内存地址	空间大小	用途
0x00000 ~ 0x003FF	1KB	中断向量表
0x00400 ~ 0x004FF	256B	BIOS数据区
0x00500 ~ 0x07BFF	大概30KB	可用区域
0x07C00 ~ 0x07DFF	512B	MBR引导加载位置
0x07E00 ~ 0x9FBFF	大概608KB	可用区域
0x9FC00 ~ 0x9FFFF	1KB	BIOS扩展数据区
---	---	---
0xA0000 ~ 0xAFFFF	64KB	显示适配器-彩色模式
0xB0000 ~ 0xB7FFF	32KB	显示适配器-黑白模式
0xB8000 ~ 0xBFFFF	32KB	显示适配器-文本模式
0xC0000 ~ 0xC7FFF	32KB	显示适配器
0xC8000 ~ 0xEFFFF	160KB	硬件适配器ROM
0xF0000 ~ 0xFFFFF	64KB	BIOS程序。BOIS入口地址为: 0xF0000-0xFFFFF

boot :0x07C00 ~ 0x07DFF 1个扇区(512_字节)
loader :0x90000 ~ 0x907FF 4个扇区(2048_字节)
kernel :0x10000 ~ 24个扇区(12288_字节)

运行后应该是进入黑屏无光标的页面（区别是没有光标的哦）。