免费注册 查看新帖 |

Chinaunix

  平台 论坛 博客 文库
最近访问板块 发新帖
查看: 1072 | 回复: 0

实模式和保护模式【转】 [复制链接]

论坛徽章:
0
发表于 2011-12-21 08:41 |显示全部楼层

http://blog.csdn.net/goodwinds/archive/2009/08/09/4429035.aspx

首先说明实模式,虚拟模式,保护模式是X86中的概念。

我从寻址方式来说,CPU的IP(EIP)中存放的是虚地址,把一个虚地址转换为物理地址,模式不同,转换方式不同:

实模式下-虚地址到实地址转换,段寄存器左移四位与偏移相加,得到物理地址,寻址空间1M。

保护模式下--虚地址到实地址转换经过MMU,也就是分段和分页机制(具体了解这个比较复杂,但其实也不难),寻址空间4G。另外,保护有两层含义,一是保护操作系统不被随意访问和破坏,另外,保护应用程序在各自的地址空间不被随意破坏。

在微处理器的历史上,第一款微处理器芯片4004是由Intel推出的,那是一个4位的微处理器。在4004之后,intel推出了一款8位处理器8080,它有1个主累加器(寄存器A)和6个次累加器(寄存器B,C,D,E,H和L),几个次累加器可以配对(如组成BC, DE或HL)用来访问16位的内存地址,也就是说8080可访问到64K内的地址空间。另外,那时还没有段的概念,访问内存都要通过绝对地址,因此程序中的地址必须进行硬编码(给出具体地址),而且也难以重定位,这就不难理解为什么当时的软件大都是些可控性弱,结构简陋,数据处理量小的工控程序了。

几年后,intel开发出了16位的处理器8086,这个处理器标志着Intel X86王朝的开始,这也是内存寻址的第一次飞跃。之所以说这是一次飞跃,是因为8086处理器引入了一个重要概念—段。

8086处理器的寻址目标是1M大的内存空间,于是它的地址总线扩展到了20位。但是,一个问题摆在了Intel设计人员面前,虽然地址总线宽度是20位的,但是CPU中“算术逻辑运算单元(ALU)”的宽度,即数据总线却只有16位,也就是可直接加以运算的指针长度是16位的。如何填补这个空隙呢?可能的解决方案有多种,例如,可以像一些8位CPU中那样,增设一些20位的指令专用于地址运算和操作,但是那样又会造成CPU内存结构的不均匀。又例如,当时的PDP-11小型机也是16位的,但是其内存管理单元(MMU)可以将16位的地址映射到24位的地址空间。受此启发,Intel设计了一种在当时看来不失为巧妙的方法,即分段的方法。

为了支持分段,Intel在8086 CPU中设置了四个段寄存器:CS、DS、SS和ES,分别用于可执行代码段、数据段、堆栈段及其他段。每个段寄存器都是16位的,对应于地址总线中的高16位。每条“访内”指令中的内部地址也都是16位的,但是在送上地址总线之前,CPU内部自动地把它与某个段寄存器中的内容相加。因为段寄存器中的内容对应于20位地址总线中的高16位(也就是把段寄存器左移4位),所以相加时实际上是内存总线中的高12位与段寄存器中的16位相加,而低4位保留不变,这样就形成一个20位的实际地址,也就实现了从16位内存地址到20位实际地址的转换,或者叫“映射”。

段式内存管理带来了显而易见的优势,程序的地址不再需要硬编码了,调试错误也更容易定位了,更可贵的是支持更大的内存地址。程序员开始获得了自由。

技术的发展不会就此止步。intel的80286处理器于1982年问世了,它的地址总线位数增加到了24位,因此可以访问到16M的内存空间。更重要的是从此开始引进了一个全新理念—保护模式。这种模式下内存段的访问受到了限制。访问内存时不能直接从段寄存器中获得段的起始地址了,而需要经过额外转换和检查。为了和过去兼容,80286内存寻址可以有两种方式,一种是先进的保护模式,另一种是老式的8086方式,被成为实模式。系统启动时处理器处于实模式,只能访问1M空间,经过处理可进入保护模式,访问空间扩大到16M,但是要想从保护模式返回到实模式,你只有重新启动机器。还有一个致命的缺陷是80286虽然扩大了访问空间,但是每个段的大小还是64k,程序规模仍受到限制。因此这个先天低能儿注定命不会很久。很快它就被天资卓越的兄弟——80386代替了。

80386是一个32位的CPU,也就是它的ALU数据总线是32位的,同时它的地址总线与数据总线宽度一致,也是32位,因此,其寻址能力达到4GB。对于内存来说,似乎是足够了。从理论上说,当数据总线与地址总线宽度一致时,其CPU结构应该简洁明了。但是,80386无法做到这一点。作为X86产品系列的一员,80386必须维持那些段寄存器的存在,还必须支持实模式,同时又要能支持保护模式,这给Intel的设计人员带来很大的挑战。

Intel选择了在段寄存器的基础上构筑保护模式,并且保留段寄存器16位。在保护模式下,它的段范围不再受限于64K,可以达到4G。这一下真正解放了软件工程师,他们不必再费尽心思去压缩程序规模,软件功能也因此迅速提升。

从8086的16位到80386的32位处理器,这看起来是处理器位数的变化,但实质上是处理器体系结构的变化,从寻址方式上说,就是从“实模式”到“保护模式”的变化。从80386以后,Intel的CPU经历了80486、Pentium、PentiumII、PentiumIII等型号,虽然它们在速度上提高了好几个数量级,功能上也有不少改进,但基本上属于同一种系统结构的改进与加强,而无本质的变化,所以我们把80386以后的处理器统称为IA32(32 Bit Intel Architecture)。

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则 发表回复

  

北京盛拓优讯信息技术有限公司. 版权所有 京ICP备16024965号-6 北京市公安局海淀分局网监中心备案编号:11010802020122 niuxiaotong@pcpop.com 17352615567
未成年举报专区
中国互联网协会会员  联系我们:huangweiwei@itpub.net
感谢所有关心和支持过ChinaUnix的朋友们 转载本站内容请注明原作者名及出处

清除 Cookies - ChinaUnix - Archiver - WAP - TOP