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的內存，就需要把內存分段，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)，這在當時已經是非常大的內存空間了。
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實際的物理地址。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難性的。再者，隨著軟件的發(fā)展，1M的尋址空間已經遠遠不能滿足實際的需求了。最后，對處理器多任務支持需求也日益緊迫，所有這些都促使新技術的出現(xiàn)。
為了克服實模式下的內存非法訪問問題，并滿足飛速發(fā)展的內存尋址和多任務需求，處理器廠商開發(fā)出保護模式。在保護模式中，除了內存尋址空間大大提高；提供了硬件對多任務的支持；物理內存地址也不能直接被程序訪問，程序內部的地址(虛擬地址)要由操作系統(tǒng)轉化為物理地址去訪問，程序對此一無所知。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存區(qū)域，甚至在自己的虛擬地址范圍內也不是可以任意訪問的，因為有一些虛擬區(qū)域已經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，能夠快速地進行任務切換和保護任務環(huán)境；4個特權級和完善的特權檢查機制，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有一個虛擬地址空間。為了避免多個并行任務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，應用程序使用虛擬地址(也即邏輯地址)訪問內存，操作系統(tǒng)將虛擬地址轉換為線性地址，然后由處理器將線性地址轉換為物理地址，但是在交由處理器轉換前，操作系統(tǒng)必須設置處理器所需要的相關描述符表和描述符信息。其實在Linux系統(tǒng)中，這在系統(tǒng)啟動時就設置好了，而且是設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換，其中分頁管理是可選的。下圖是地址映射轉換的示意圖。
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