MIT-CS6.828

real mode protected mode and segmentation

FatTiger

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real mode protected mode and segmentation

前言

在操作系统启动时，会先进入实模式(Real Mode)，然后再转换为保护模式(Protected Mode)，为什么需要这么做？两种模式的寻址方式有何不同？本文通过Intel 8086和Intel 80286分段寻址的不同来解释这两种模式的区别。

Intel 8086

8086被设计为完全的16位处理器，所有的内部寄存器、内部及外部数据总线都是16位宽，不过它具有20位宽的外部地址总线，这意味着它能够寻址2^20=1,048,576个地址，也就是最大能够支持1MB的寻址空间。这里可能会有疑问，刚才不是说8086是16位处理器吗？怎么能够进行20位地址总线寻址呢？这是由于8086处理器支持分段机制(Segmentation)，它能够通过16 * Segment + Offset的方式进行寻址，例如Segment为0xf000，Offset为0xfff0，则进行如下转换：

16 * 0xf000 + 0xfff0   
= 0xf0000 + 0xfff0  
= 0xffff0

Segment为16位的基地址被存储在段寄存器(Segment Registers)，Offset也同样为16位的偏移地址，通过左移位的方式组合得到的结果0xffff0称之为线性地址(Linear Address)，可以理解为Segment为一个内存区域，Offset为相对于这个内存区域起始地址的偏移量。这时有的人可能会问了，如果Segment为0xffff且Offset为0xffff，通过上述公式计算:

16 * 0xffff + 0xffff   
= 0xffff0 + 0xffff  
= 0x10ffef

最终结果为0x10ffef，这已经超过20位地址总线的寻址范围(至少得24位地址总线才能够寻址此地址)，这时CPU会丢弃最高位，实际访问的地址为0xffef(这也是在使用更大的内存地址空间前启用A20总线的原因，既启用高位地址)。这种直接能够访问内存地址的方式称之为实模式(Real Mode)。

Intel 80286

当80286问世时，外部地址总线被拓宽到24位，使得它的寻址能力进一步提升，但是它所带来的不仅仅是寻址能力的提升，还有一个新东西：保护模式(Protected Mode)。保护模式下的分段机制与实模式下的分段机制有些许不同，它通过以下数据结构进行段翻译(Segment Translation)：

  • 描述符(Descriptor) 用来存储分段信息
  • 描述符表(Descriptor Table) 有描述符所组成的数组结构
  • 段选择器(Selector) 从描述符表中找到具体的某个描述符

虽然80286的段寄存器(Segment Registers)依然是16位，但是它保存的不再是段基地址，而是称之为Selector的选择器，这与实模式下的分段机制有所不同。保护模式下每个分段信息是存储在对应的Descriptor中，那么我们要进行地址转换则需要先在Descriptor Table中找到这个Descriptor，这就需要Selector，通过Selector定位到Descriptor，然后翻译Segment成为线性地址(Linear Address)：

Descriptor

先看下Descriptor，它是由8-byte组成的数据结构：

  • 段基地址(Base Address)
    • 由三个片段组成占用32位，用来表示地址的开始位置(后续配合Offset来得到一个具体的地址)
  • Segment Limit
    • 由两个片段组成占用20位，这两用来表示地址范围
  • G=Granularity
    • 如果清除，Segment Limit单位为bytes最大能够表示 2^20 bytes
    • 如果设置，表示以4KB(页大小)为单位，最大可表示 2^32 bytes
  • D=Default operand size
    • 如果清除，则为16位代码段
    • 如果设置，则为32位
  • B=Big
    • 如果设置，则数据段的最大偏移量增加到32位0xffffffff
    • 否则为最大16位0x0000ffff，与 D 基本相同
  • L=Long
    • 如果设置，则为64位段（D 必须为零），并且该段中的代码使用64位指令编码
    • 不能将 L 与 D 或 B 同时设置
  • AVL=Available
    • 仅供软件使用，硬件不做处理
  • P=Present
    • 如果清除，则对此段的任何引用都会生成“段不存在”异常
  • DPL=Descriptor privilege level
    • 访问此描述符所需的特权级别
  • Type
    • 如果设置，则为代码段描述符。如果清除，则为数据/堆栈段描述符
  • C=Conforming
    • 可以从特权级别较低的级别调用此段中的代码
  • E=Expand-Down
    • 如果清除，则该段将从基地址扩展到基数+限制
    • 如果设置，它将从最大偏移向下扩展到限制，这是通常用于堆栈的行为
  • R=Readable
    • 如果清除，则该段可以执行但不能读取
  • W=Writable
    • 如果清除，则可以读取但不能写入数据段
  • A=Accessed
    • 当访问该段时，该位由硬件设置为1，并由软件清除

由描述符的数据结构可以看出，它包含了段信息以及权限等信息，在程序将Selector加载到段寄存器中时，CPU不仅加载段的基地址，而且加载保护信息，根据这些信息对段内存进行保护，所以称之为保护模式(Protected Mode)。

未完待续...

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