原创 X86 实模式和保护模式

 

一。x86实模式介绍

      x86体系的处理器刚开始时只有20根地址线，寻址寄存器是16位。我们知道16位的寄存器可以访问64K的地址空间，如果程序要想访问大于64K的内存，就需要把内存分段，每段64K，用段地址+偏移量的方式来访问，这样使20根地址线全用上，最大的寻址空间就可以到1M字节，这在当时已经是非常大的内存空间了。

 

二。实模式的问题与保护模式的出现

      事实上，实模式将整个物理内存看成分段的区域，程序代码和数据位于不同区域，系统程序和用户程序并没有区别对待，而且每一个指针都是指向实际的物理地址。这样一来，用户程序的一个指针如果指向了系统程序区域或其他用户程序区域，并修改了内容，那么对于这个被修改的系统程序或用户程序，其后果就很可能是灾难性的。再者，随着软件的发展，1M的寻址空间已经远远不能满足实际的需求了。最后，对处理器多任务支持需求也日益紧迫，所有这些都促使新技术的出现。

      为了克服实模式下的内存非法访问问题，并满足飞速发展的内存寻址和多任务需求，处理器厂商开发出保护模式。在保护模式中，除了内存寻址空间大大提高；提供了硬件对多任务的支持；物理内存地址也不能直接被程序访问，程序内部的地址(虚拟地址)要由操作系统转化为物理地址去访问，程序对此一无所知。至此，进程(程序的运行态)有了严格的边界，任何其他进程根本没有办法访问不属于自己的物理内存区域，甚至在自己的虚拟地址范围内也不是可以任意访问的，因为有一些虚拟区域已经被放进一些公共系统运行库。这些区域也不能随便修改，若修改就会有出现linux中的段错误，或Windows中的非法内存访问对话框。

 

三。386以上处理器的特点

      386处理器有三种工作方式：实模式、保护模式和虚拟8086模式。

      在保护方式下，全部32条地址线有效，可寻址高达4G字节的物理地址空间；扩充的存储器分段管理机制和可选的存储器分页管理机制，不仅为存储器共享和保护提供了硬件支持，而且为实现虚拟存储器提供了硬件支持；支持多任务，能够快速地进行任务切换和保护任务环境；4个特权级和完善的特权检查机制，既能实现资源共享又能保证代码和数据的安全和保密及任务的隔离；支持虚拟8086方式，便于执行8086程序。只有在刚刚启动的时候是实模式，等到linux操作系统运行起来以后就运行在保护模式。虚拟8086模式是运行在保护模式中的实模式，为了在32位保护模式下执行纯16位程序。它不是一个真正的CPU模式，还属于保护模式。

      保护模式同实模式的根本区别是进程内存受保护与否。可寻址空间的区别只是这一原因的果。实模式将整个物理内存看成分段的区域，程序代码和数据位于不同区域，系统程序和用户程序没有区别对待，而且每一个指针都是指向“实在”的物理地址。这样一来，用户程序的一个指针如果指向了系统程序区域或其他用户程序区域，并改变了值，那么对于这个被修改的系统程序或用户程序，其后果就很可能是灾难性的。为了克服这种低劣的内存管理方式，处理器厂商开发出保护模式。这样，物理内存地址不能直接被程序访问，程序内部的地址（虚拟地址）要由操作系统转化为物理地址去访问，程序对此一无所知。 至此，进程（这时我们可以称程序为进程了）有了严格的边界，任何其他进程根本没有办法访问不属于自己的物理内存区域，甚至在自己的虚拟地址范围内也不是可以任意访问的，因为有一些虚拟区域已经被放进一些公共系统运行库。这些区域也不能随便修改，若修改就会有: SIGSEGV（linux 段错误）;非法内存访问对话框（windows 对话框）。CPU启动环境为16位实模式，之后可以切换到保护模式。但从保护模式无法切换回实模式

 

四。保护模式下的地址转换

      通过采用段地址加偏移量的方式，80386支持的虚拟地址空间可达64T字节。但由于实际物理内存的大小可能会远小于虚拟地址空间，所以实际上虚拟地址中只有部分才可以真正映射到物理存储器。同时由于每一个任务有一个虚拟地址空间。为了避免多个并行任务的多个虚拟地址空间直接映射到同一个物理地址空间，还需要使用线性地址空间来隔离虚拟地址空间和物理地址空间。线性地址空间由一维的线性地址构成，线性地址空间和物理地址空间是对等。线性地址也是32位长，寻址空间为4G字节。

在操作系统中，应用程序使用虚拟地址(也即逻辑地址)访问内存，操作系统将虚拟地址转换为线性地址，然后由处理器将线性地址转换为物理地址，但是在交由处理器转换前，操作系统必须设置处理器所需要的相关描述符表和描述符信息。其实在Linux系统中，这在系统启动时就设置好了，而且是设置后就不会再改动了。

在80386中，通过使用分段管理和分页管理实现虚拟地址到物理地址的转换，其中分页管理是可选的。

 

 

     事实上，现在的64位奔腾4处理器，拥有三种基本模式和一种扩展模式，
     基本模式：
                 保护模式：纯32位保护执行环境。
                 实模式：纯16位无保护执行环境。
                 系统管理模式：当SMI引脚为有效进入系统管理模式，首先保存当前的CPU上下文。它有独立的地址空间，用来执行电源管理或系统安全方面的指令。
                 扩展模式：
                 IA-32e模式: 64位操作系统运行在该模式。该模式有两种子模式: 
                  1）兼容模式：该模式下，64位操作系统运行在32位兼容环境，能正常运行16，32位应用程序就像基本的保护模式一样，访问32位地址空间，但不能运行纯16位实模式程序（就是不能运行虚拟86模式程序了）。 
                  2）64位模式：在该模式下，处理器完全执行64位指令，使用64位地址空间和64操作数，运行16，32位程序必须切换到兼容模式。
                 IA-32e子模式的切换完全基于代码段寄存器。这样一来，运行在IA-32e模式中（64位）的OS完全可以无缝的运行所有16，32，64为应用程序，通过设置32位后的CS。