一。x86實模式介紹

二。實模式的問題與保護模式的出現(xiàn)

三。386以上處理器的特點

四。保護模式下的地址轉(zhuǎn)換

一。x86實模式介紹

x86體系的處理器剛開始時只有20根地址線，尋址寄存器是16位。我們知道16位的寄存器可以訪問64K的地址空間，如果程序要想訪問大于64K的內(nèi)存，就需要把內(nèi)存分段，每段64K，用段地址+偏移量的方式來訪問，這樣使20根地址線全用上，最大的尋址空間就可以到1M字節(jié)，這在當時已經(jīng)是非常大的內(nèi)存空間了。

二。實模式的問題與保護模式的出現(xiàn)

事實上，實模式將整個物理內(nèi)存看成分段的區(qū)域，程序代碼和數(shù)據(jù)位于不同區(qū)域，系統(tǒng)程序和用戶程序并沒有區(qū)別對待，而且每一個指針都是指向?qū)嶋H的物理地址。這樣一來，用戶程序的一個指針如果指向了系統(tǒng)程序區(qū)域或其他用戶程序區(qū)域，并修改了內(nèi)容，那么對于這個被修改的系統(tǒng)程序或用戶程序，其后果就很可能是災(zāi)難性的。再者，隨著軟件的發(fā)展，1M的尋址空間已經(jīng)遠遠不能滿足實際的需求了。最后，對處理器多任務(wù)支持需求也日益緊迫，所有這些都促使新技術(shù)的出現(xiàn)。

為了克服實模式下的內(nèi)存非法訪問問題，并滿足飛速發(fā)展的內(nèi)存尋址和多任務(wù)需求，處理器廠商開發(fā)出保護模式。在保護模式中，除了內(nèi)存尋址空間大大提高；提供了硬件對多任務(wù)的支持；物理內(nèi)存地址也不能直接被程序訪問，程序內(nèi)部的地址(虛擬地址)要由操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為物理地址去訪問，程序?qū)Υ艘粺o所知。至此，進程(程序的運行態(tài))有了嚴格的邊界，任何其他進程根本沒有辦法訪問不屬于自己的物理內(nèi)存區(qū)域，甚至在自己的虛擬地址范圍內(nèi)也不是可以任意訪問的，因為有一些虛擬區(qū)域已經(jīng)被放進一些公共系統(tǒng)運行庫。這些區(qū)域也不能隨便修改，若修改就會有出現(xiàn)linux中的段錯誤，或Windows中的非法內(nèi)存訪問對話框。

三。386以上處理器的特點

386處理器有三種工作方式：實模式、保護模式和虛擬8086模式。

在保護方式下，全部32條地址線有效，可尋址高達4G字節(jié)的物理地址空間；擴充的存儲器分段管理機制和可選的存儲器分頁管理機制，不僅為存儲器共享和保護提供了硬件支持，而且為實現(xiàn)虛擬存儲器提供了硬件支持；支持多任務(wù)，能夠快速地進行任務(wù)切換和保護任務(wù)環(huán)境；4個特權(quán)級和完善的特權(quán)檢查機制，既能實現(xiàn)資源共享又能保證代碼和數(shù)據(jù)的安全和保密及任務(wù)的隔離；支持虛擬8086方式，便于執(zhí)行8086程序。

四。保護模式下的地址轉(zhuǎn)換

通過采用段地址加偏移量的方式，80386支持的虛擬地址空間可達64T字節(jié)。但由于實際物理內(nèi)存的大小可能會遠小于虛擬地址空間，所以實際上虛擬地址中只有部分才可以真正映射到物理存儲器。同時由于每一個任務(wù)有一個虛擬地址空間。為了避免多個并行任務(wù)的多個虛擬地址空間直接映射到同一個物理地址空間，還需要使用線性地址空間來隔離虛擬地址空間和物理地址空間。線性地址空間由一維的線性地址構(gòu)成，線性地址空間和物理地址空間是對等。線性地址也是32位長，尋址空間為4G字節(jié)。

在操作系統(tǒng)中，應(yīng)用程序使用虛擬地址(也即邏輯地址)訪問內(nèi)存，操作系統(tǒng)將虛擬地址轉(zhuǎn)換為線性地址，然后由處理器將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址，但是在交由處理器轉(zhuǎn)換前，操作系統(tǒng)必須設(shè)置處理器所需要的相關(guān)描述符表和描述符信息。其實在Linux系統(tǒng)中，這在系統(tǒng)啟動時就設(shè)置好了，而且是設(shè)置后就不會再改動了。

在80386中，通過使用分段管理和分頁管理實現(xiàn)虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，其中分頁管理是可選的。下圖是地址映射轉(zhuǎn)換的示意圖。

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