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1、摘自“64KB-4GB-64TB?我记得大学的汇编课程、组成原理课里老师讲过实模式和保护模式的区别，在很多书本上也有谈及， 无奈本人理解和感悟能力实在太差，在很长一段时间里都没真正的明白它们的内含，更别说为什么实模式 下最大寻址空间为1MB?段的最大长度不超过64KB?而保护模式下为啥最大寻址能力就变成了 64TB?每 个段最大也达4GB?更甚者分段和分页这两个高深的概念像我这种菜鸟怎么也理解不了啊！寻址能力都达64TB 了，为啥我的电脑内存只有2GB呢？其实不用纠结于这事，这64TB就是所谓的虚 拟地址空间，也叫逻辑地址空间，它能够寻址这么多，只是它有这个能力，并不代表你的内存就要装这么 大
2、，你内存比它小再多也不会影响你工作，反过来，要是它的寻址能力只有1MB，而你有2GB的内存，那 么那1.9GB就没有实际用处了，这就太浪费资源了。而实际上这个64TB也没有什么实际意义，因为32位这个64TB是怎么出来的，稍后揭晓。实模式寻址址保性地址模和物理地来间都是2八32=4GB。我们先来说一下为什么有实模式和保护模式的区别。最早期的8086 CPU只有一种工作方式，那就是实 模式，而且数据总线为16位，地址总线为20位，实模式下所有寄存器都是16位。而从80286开始就有 了保护模式，从80386开始CPU数据总线和地址总线均为32位，而且寄存器都是32位。但80386以及现 在的奔腾
3、、酷睿等等CPU为了向前兼容都保留了实模式，现代操作系统在刚加电时首先运行在实模式下， 然后再切换到保护模式下运行。三种地址本概念：逻辑地址、线性地址和物理地址。这些概念一时没领会没关系。继续往下看。逻辑地址：即逻辑上的地址，实模式下由“段基地址+段内偏移”组成；保护模式下由“段选择符+段内偏 移”组成。线性地址：逻辑地址经分段机制后就成线性地址，它是平坦的；如果不启用分页，那么此线性地址即物理 地址。矍模式性寻址方号*就成了物理地址。刚才说了 8086CPU数据总线为16位，也就是一次最多能取2M6 = 64KB数据，这个数据也解释了实模 式下为什么每个段最大只有64KB。但刚才还说了其地址
4、总线为20位，这样它能寻址的能力其实是 220=1MB，这也就是实模式下CPU的最大寻址能力。既然它有1MB寻址能力，那怎么用16位的段寄存 器表示呢？这就引出了分段的概念，8086CPU将1MB存储空间分成许多逻辑段，每个段最大限长为64KB （但不 一定就是64KB）。这样每个存储单元就可以用“段基地址段内偏移地址”表示。段基地址由16位段寄存 器值左移4位表达，段内偏移表示相对于某个段起始位置的偏移量。比如：SEG=0x07c0 jmpi offset, #SEG保护模式 寻址方式在定义“逻辑地址”时看到保护模式和实模式的区别在于它是用段选择符而非段基地址，这也许就是 ，从段选择符入手，
5、全面理解保护模式编程基本概念和寻址方式。下面来看下保护模式是怎样通过“段选择符+段内偏移”寻址最终的线性地址或物理地址的。图1逻辑地址到线性地址转换，这里的逻辑地址即指保护模式下的“段选择符+段内偏移地址”，如果不启用分页管理的情况下，那么此线性地址即最终的物理地址。图1逻辑地址到线性地址转换在理解此图时必须要明白段选择符结构、描述符表概念等，下面就一一介绍。如图2段选择符结构，段选择符为16位，它不直接指向段，而是通过指向的段描述符，段描述符（一会 介绍）再定义段的信息。图2段选择符结构其中TI用来指明全局描述符表GDT还是局部描述符表LDT, RPL表示请求特权级，索引值为13位，所 以从
6、这里看出，在保护模式下最多可以表示2人13=8192个段描述符，而TI又分GDT和LDT（如图3所示）， 所以一共可以表示8192*2=16384个段描述符，每个段描述符可以指定一个具体的段信息，所以一共可以 表示16384个段。而图1看出，段内偏移地址为32位值，所以一个段最大可达4GB，这样16384*4GB = 64TB， 这就是所谓的64TB最大寻址能力，也即逻辑地址/虚拟地址。在保护模式实际编程中，如下一条语句：jmpi 0, 8。其中的8即段选择符，8的二进制表示为：0000 0000 0000 1000b，所以这条语句的意思是跳转到GDT表（TI = 0）中的第2个（段描述符表从
7、0开始 编号，所以这里的1指表中的第2个）段描述符定义的段中，其段内偏移为0。4S484()403232242416168S00GDTR寄存器 段限长XLDT显寄存器!福地址1段限长1 基地址 段选杵主图3下面再来看段描述符结构，段描述符表中的每一项为一个段描述符，每一项为8字节，其结构如图4所 示。基地址Bast Address 31 .24GCIB0AVL段限& Scgmcnl Limit 9.J6PD P LS类型Type基地址Base Address 23,.1631242322 1 20 1916 J5 14 13 12 II 8 7043116 15基地址 Base Address
8、 15；。段限长Segment Limit J5.0AVL -系统软件可使用位BASE 一段基地址DPL Descriptor privilege level 描述符特权极G Granularity 颗粒性LIMIT -段限长P一段存在标志S 一描述符类型（0=系统，1=数据或者代码）TYPE-段类型D,，B一默认操作大小（0=16位段；1=32位段）从图中可知，段选择符指向的段描述符里有三个部分基地址信息，这三部分组成一个32位地址就决定 了段基地址位置，此地址再加上段内偏移最终确定线性地址位置。段描述符中的S位和TYPE字段（四位）的不同又分为数据段描述符、代码段描述符6=1）和系统段描
9、述符（S=1）。数据段和代码段描述符类型如图5所示。类型(type)描述简类型说期十进制位11位10位？ w翩AU 12345 670000000000 ft ft1 J un 0 0 n1ftI0_1-tH*KIDW .数据段盛只读只读，己,问 时读心可的已访问 向F扩展.只族 向下扩展，!1仁已访问 问F打展，可解 向下扩展强河新岑己访问Y A.顷占LIMUC：wv位10EUW.MQODYSC位9 WIFTCCM/SFX/l 心 ArICEM3ErHTML8 g 10 1 12 13 14 1511111110 0 0 t) J 1 10 G I 0 0 1 10 I 0 1 0 I 0
10、I代码段仅执行仅执行，己访问执行何渎执行何族,已访问-我致性段，仪执行-强致性段，仅执行.己访.伺-到致性段，执衍可诙到致性段.执行/可读.已访问系统段描述符如图6所示。类型(TYPE)字段说明十进制位H位10位9位80000Reserved保留00Q16-Bit TSS （Available）16位TSS （可用）20010LOTIDT3001116 fc TSS （忙）4010016-BirCall Gate16位阔用15010 11Task Gate任务门601E位中断门701T A LfCCHCt 心5口口口SOFT- COM/B fXyLLC-E NSE-HTML16位陷阱门L00
11、）IResen ed保留91!：0132-BitTSS （Available）32 &.TSS （可用）101010Rg门斓保留11101132-BnTSS Busy32 位 TTS （忙）2110032-3it Call gate32位调用门131101Reserved保留14111032-Bii Intertupt Gate32位中断门15111132-Bn Trap Gaie32位陷阱门图6分页机制到目前为止我们知道了保护模式下是怎样通过段选择符指向一个段描述符，最终由段描述符+段内偏移 定位线性地址，在不启用分页情况下，此线性地址就是物理地址，那么在启用分页情况下，又是怎样实现 内存的
12、映射转换的呢？这就是伟大的分页机制。分页机制如下图所示，它把物理内存分成相同固定大小的页面，2A12=4KBO每个页面的04KB范围由线 性地址的低12位表示，线性地址空间的高10位用来指定页目录中的位置，可以选择210=1024个目录项， 每个目录项为四字节，所以页目录为1024*4B=4KBo每个目录项中的高20位用以查找页表在物理内存中的 页面，每个页表含1024个页表项，每个页表项也是四字节，这样一页表也是1024*4B=4KB。所以一个页目 录可以查找1024个页表，每个页表为4KB，所以总共可以查找的页表大小为1024*4KB = 4MB大。最后每 个页表项的高20位用以定位物理地
13、址空间中的某个页基地址，此地址再加上线性地址空间的偏移值就是 最后物理内存空间单元。目录项和页表项结构如图8所示。线性地址物理地址牛:间图7分页机制程序可用0Iib) 油在的页E录和里表的表顼不式图8从一个逻辑地址经过分段和分页寻址物理地址的整个过程就如图9所示。总的来说整个过就是逻辑地址 经分段机制变成线性地址，如果不启用分页的情况下，此线性地址就是物理地址；如果启用分页，那么线 性地址经分页机制变成物理地址。遂钵J1址或远指奸没逃林符 倔移她址分段分贞图9分段和分页分段和分页的意义说了半天分段和分页的原理，它们到底有何用？这里以保护模式下分段和分页讲解。n性地上L空可图10多段模型如图10所示。一个多段模型充分发挥了段机制的对代码、数据结构和程序提供硬件保护的能力。每个 程序都有自己的段描述符表和自己的段。段可以完全属于程序私有也可以和其它程序之间共享。访问权限的检查不仅仅用来保护地址越界，也可以保护某一特定段不允许操作。例如代码段是只读段，硬 件可以阻击向代码段进行写操作。分页为需求页、虚拟内存提供实现机制。具体的实现机制可以再深入学习。文献资料深入理解Linux内核Linux内核完全剖析赵炯Linux内核设计与实现 Linux内核修炼之道新版汇编语言程序设计钱晓捷著windows环境下32位汇编语言程序设计罗云彬著
