实模式/保护模式

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本文主要涉及方面：实模式/保护模式，8086/80286/80386下的寻址方式

细小知识点：段地址+偏移地址寻址方式，近指针，远指针，GDT，LDT等

实模式与8086

　　现在所说的实模式可以认为是为了和保护模式区分而产生的说法，用来指8088/8086工作的模式，是80286以后为了兼容以前的CPU而产生的概念。

　　上古时期（雾），8088/8086（还有80186）处理器只有20位地址总线（即存储空间最大为1MiB），而寄存器位数为16位。为了可以寻址20位，芯片的设计者想出了一种段地址+偏移地址的寻址方式（通常写作  段地址：偏移地址）。8086内置4个段寄存器（代码段CS，数据段DS，堆栈段SS，附加段ES），每个段寄存器可以存放一个16位的段地址，在寻址时，处理器首先将段地址左移4位，然后再加上偏移地址，由此得到20位的物理地址（如 1234H:5678H所对应的物理地址为12340H+5678H=179B8H，其中， 1234H:5678H称作逻辑地址或虚地址）。当地址有溢出时（FFFFH:FFFFH 对应的物理地址是FFFF0H+FFFFH=10FFEFH，大于FFFFFH），会发生回卷（10FFEFH = FFF0H）。

　　近指针与远指针：定址时段寄存器与偏移量都指定为远指针寻址，只指定偏移量为近指针寻址（系统默认DS作为段指针）

　　如此寻址会产生很多问题。一个段大小最大为2^16=64KiB，并且，所有的段都是可读写的。这意味着不同的段存在着重叠部分（即不同的逻辑地址可以映射到相同的物理地址），无法保证程序的安全性（程序段可被修改），也不具有权限分级（大家都有读写权限，另，那时真的有权限这个概念么）。

实模式/保护模式与80286

　　80286使用了24位的地址线，寄存器位数依然是16位。80286拥有两种寻址方式：实模式（兼容8086）和保护模式。80286启动时工作在实模式，而后可以切换到保护模式（后面讲）

　　80286的实模式：

　　在系统开机时，80286默认工作在实模式下，80286的实模式是为了兼容8086的寻址方式而存在的。

　　在实模式工作的80286可以看做是一个比较快的8086，在由实模式切换到保护模式时需要打开A20总线。

　　关于A20:在24位地址线的80286中使用实模式时会出现一个问题，当地址溢出时，由于80286真的有那么多的存储空间，会使得寻址得到高位的存储空间，而不是像8086中一样产生回卷。于是乎，IBM的设计师们采用了一种在总线外部增加逻辑的方式（将第21根地址线即A20与键盘的一个输出做AND），使得A20地址线恒为0。如此，当发生溢出时，由于A20被屏蔽，得到的地址便是回卷后的低位地址了（什么？你溢出了1M？）。

　　注意：286是在实模式还是保护模式是由控制寄存器的PE位决定的，A20只是为了解决回卷问题而存在的。当然，在保护模式下如果不打开A20，则处理器只能访问一半的存储空间。

　　80286的保护模式：

　　一般来说，80286是工作在保护模式下的。保护模式下的寻址也是采用了段地址加偏移量的方法啊，但这里的寻址方式和实模式有所不同。

　　在保护模式中，处理器将段信息存放于描述符表中。一张描述符表有2¹³个条目（描述符），每条目8字节长，其中包括24位长的段起始物理地址、16位长的段长（因此段的长度范围从1 B到2¹⁶ B，即不超过64 KiB），其余为属性信息。每一段的地址范围为 段首～段首+段长，每一个段的大小不一定相同（由段长确定）。描述符表有两个，一个是全局描述符表（GDT），一个是局部描述符表（LDT），也就是说，总共可以有 2 * 2¹³  个段。

　　在实模式中，段寄存器保存的是段首地址（左移4位以后），而在保护模式，其中保存的内容称作选择器（selector），其本质是索引（13位，即在表中的偏移量）加TI位（1位，表示是使用GDT还是LDT）和优先级信息（2位，0~3值越小优先级越高）。

　　在寻址时，首先拿出选择器（段寄存器）的高13位作为偏移量（索引），结合TI位找到描述符。取出其中24位长的段首地址信息，再加上偏移量（这个偏移量是段地址:偏移量 中的偏移量，前面提到的描述符表的偏移量是段地址的高13位），得到实际物理地址。

　　简单来说，286保护模式下的寻址步骤是：拿到段寄存器高14位（13+1），查描述符表，得到24位段地址，加上偏移量，得到物理地址。当然，其中还有保护机制，这里没有说明。

　　下图来自维基百科

分页/分段寻址与80386

　　80386使用了8个32位通用寄存器（均为8086通用寄存器扩展而来），数据总线与地址总线均为32位（为了与16位寄存器区分，32位寄存器名称前均加了一个E，如AX变为EAX，SP变为ESP）。另外，80386使用了6个段寄存器（均为16位），与之匹配的，有6个段描述符寄存器（32位，用来存放从段描述符表中取出的数据）。

　　英特尔32位架构常被称为IA-32或i386或x86-32。80386具有三种工作模式：实模式、保护模式、虚拟86模式。其中，实模式与286相似，不再介绍，虚拟86模式允许在保护模式操作系统的控制下执行实模式的程序。在386的保护模式下，有两种寻址方式：分页寻址与分段寻址

　　分页寻址：

　　分页寻址模式中，cpu维护一张页目（page directory）与多张页表（page table），其中，页目首地址由CR3寄存器给出，而页表的首地址存放在页目中。页目与页表中的条目每条均为4字节，而每个页目页表最多能容纳1024个条目（即每张页目页表最大空间占用4kiB，4096位）。页目与页表存放信息的方式相似，在每条目的32位中，最高20位（31~12）存放地址信息，剩余12位存放属性信息（页表与页目存放的属性信息不同，具体如下）。

• • PS（Page Size）位仅存在于页目中，该位为1时，表明这是一个4M的页面；
  • D位仅存在与页表中，D为1时表示正在对该页表进行读写；
  • A位为访问位，正在访问该表时A=1；
  • PCD（Page Cache Disable）表示是否使用高速缓存，PCD=1为启用；
  • PWT（Page Write-Through）表示是否采用写透方式（内存和缓存都写）,PWT=1 表示采用写透方式；
  • U/S为用户/管理员位，R/W为读/写位，这两位为页目录项提供硬件保护。当特权级为3 的进程要想访问页面时，需要通过页保护检查，而特权级为0 的进程就可以绕过页保护；
  • P位表示页表是否在物理内存中，P=1为存在

　　由于PS位的不同，分页寻址可分为4KiB分页寻址和4MiB分页寻址两种

　　4KiB分页寻址：

　　4KiB分页寻址只使用一个32位的寄存器内容作为索引（称为线性地址）。线性地址的内容分为三部分，高10位（31~22）作为页目索引，中间10位（21~12）作为页表索引，低12位（11~0）作为真实地址偏移量（后面的叙述中将使用“页目索引”、“页表索引”和“真实地址偏移量”指代这三部分，并用斜体表示）。

　　具体寻址方式如下：

1. CR3寄存器内容+页目索引*4 = 页目条目
2. 从该页目条目中取出高20位，得到页表首地址（20位左移12位变成32位地址）
3. 页表首地址 + 页表索引*4 = 页表条目
4. 从页表条目中取出高20位，得到真实地址首地址（20位左移12位变成32位地址）
5. 真实地址首地址 + 真实地址偏移量 = 真实地址

　　索引*4是因为每个条目有4字节。由于真实地址偏移量只有12位，所以一页最大能寻址4KiB。图示如下（来自维基百科）：

　　4MiB分页寻址：

　　4MiB分页寻址同样使用一个32位寄存器保存索引（也叫线性地址），但在这里，线性地址只分为两部分：高10位（31~22）为页目索引，剩余22位为真实地址偏移量（后面的叙述中将使用“页目索引”和“真实地址偏移量”指代这两部分，为了与4KiB寻址区分，这两个名称用下划线标示）。4MiB寻址不使用页表，页目所存即物理地址首地址。

　　具体寻址方式方式如下：

1. CR3寄存器内容+页目索引*4 = 页目条目
2. 从该页目条目中取出高20位，得到真实地址首地址（20位左移12位变成32位地址）
3. 真实地址首地址 + 真实地址偏移量 = 真实地址

　　由于真实地址偏移量为22位，所以一页最大能寻址4MiB。图示如下（来自维基百科）：

　　分段寻址：

　　80386保护模式另一种寻址方式是分段寻址。386下的分段寻址模式可参考286的分段寻址：逻辑地址为 段地址（16位）：偏移量（32位）。寻址时，由段地址高13位配合TI位作为索引，找到段描述符表，然后取出段描述符，获得段描述符中的32位段基地址，然后基地址+偏移地址，得到真实地址。

　　80386的段描述符为64位（8字节），其中包含了32位的段基地址，20位的段界限，以及12位的属性信息。具体存储方式如下（一行为一字节）：

• • G：粒度位，G=0时段长以字节为单位，G=0时段长以页为单位（4 KiB）；
  • D：指示操作数和有效地址默认长度，D=1使用32位操作数和32位寻址方式，D=0使用16位；
  • AVL：AVL=1表示操作系统可任意使用
  • P：表示段描述符描述的这个段是否在内存中，P=1为在内存中；
  • DPL（Descriptor Privilege Level）：描述符特权级，值为0～3，用来确定这个段的特权级，越小级别越高；
  • S：表示这个段是系统段还是用户段。如果S=0，为系统段，如果S=1，则为用户程序的代码段、数据段或堆栈段。
  • TYPE：用于区别不同类型的描述符。可表示所描述的段是代码段还是数据段，所描述的段是否可读/写/执行，段的扩展方向等。
  • A：访问位，被访问时A=1

　　由于段界限为20位，根据G位的不同，当G=0时，段长最大为2²⁰ * 1B = 1MiB；当G=1时，段长最大为2²⁰ * 4KiB = 4GiB

参考链接：

http://blog.csdn.net/jnu_simba/article/details/11712747

https://objectkuan.gitbooks.io/ucore-docs/lab1/lab1_3_2_1_protection_mode.html

http://blog.csdn.net/jnu_simba/article/details/11712747

http://www.macode.net/80386-protected-mode-essential/

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BF%9D%E8%AD%B7%E6%A8%A1%E5%BC%8F

https://github.com/chyyuu/simple_os_book/blob/master/zh/chapter-1/protect_mode.md

本文作者：Dumblidor

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2017.4.19