轉(zhuǎn)載自：http://blog.csdn.net/rosetta

64KB－4GB－64TB,？

    我記得大學(xué)的匯編課程,、組成原理課里老師講過實(shí)模式和保護(hù)模式的區(qū)別，在很多書本上也有談及,，無奈本人理解和感悟能力實(shí)在太差,，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里都沒真正的明白它們的內(nèi)含,，更別說為什么實(shí)模式下最大尋址空間為1MB？段的最大長(zhǎng)度不超過64KB,？而保護(hù)模式下為啥最大尋址能力就變成了64TB,？每個(gè)段最大也達(dá)4GB？ 更甚者分段和分頁這兩個(gè)高深的概念像我這種菜鳥怎么也理解不了??！

    尋址能力都達(dá)64TB了，為啥我的電腦內(nèi)存只有2GB呢,？其實(shí)不用糾結(jié)于這事,，這64TB就是所謂的虛擬地址空間，也叫邏輯地址空間,，它能夠?qū)ぶ愤@么多,，只是它有這個(gè)能力,，并不代表你的內(nèi)存就要裝這么大,，你內(nèi)存比它小再多也不會(huì)影響你工作,，反過來，要是它的尋址能力只有1MB,，而你有2GB的內(nèi)存,，那么那1.999GB就沒有實(shí)際用處了，這就太浪費(fèi)資源了,。而實(shí)際上這個(gè)64TB也沒有什么實(shí)際意義,，因?yàn)?2位的地址總線能尋址的線性地址空間和物理地址空間都是2^32=4GB。這個(gè)64TB是怎么出來的,，稍后揭曉,。

實(shí)模式與保護(hù)模式的來歷

    我們先來說一下為什么有實(shí)模式和保護(hù)模式的區(qū)別。最早期的8086 CPU只有一種工作方式,，那就是實(shí)模式,，而且數(shù)據(jù)總線為 16位，地址總線為20位,，實(shí)模式下所有寄存器都是16位,。而從80286開始就有了保護(hù)模式，從80386開始CPU數(shù)據(jù)總線和地址總線均為32位,，而且寄存器都是32位,。但80386以及現(xiàn)在的奔騰、酷睿等等CPU為了向前兼容都保留了實(shí)模式,，現(xiàn)代操作系統(tǒng)在剛加電時(shí)首先運(yùn)行在實(shí)模式下,，然后再切換到保護(hù)模式下運(yùn)行。

再來區(qū)別下幾個(gè)基本概念：邏輯地址,、線性地址和物理地址,。這些概念一時(shí)沒領(lǐng)會(huì)沒關(guān)系。繼續(xù)往下看,。

三種地址

邏輯地址：即邏輯上的地址,，實(shí)模式下由“段基地址+段內(nèi)偏移”組成；保護(hù)模式下由“段選擇符+段內(nèi)偏移”組成,。

線性地址：邏輯地址經(jīng)分段機(jī)制后就成線性地址,，它是平坦的；如果不啟用分頁,，那么此線性地址即物理地址,。

物理地址：線性地址經(jīng)分頁轉(zhuǎn)換后就成了物理地址。

實(shí)模式尋址方式

    剛才說了8086CPU數(shù)據(jù)總線為16位,，也就是一次最多能取2^16＝64KB數(shù)據(jù),，這個(gè)數(shù)據(jù)也解釋了實(shí)模式下為什么每個(gè)段最大只有64KB。但剛才還說了其地址總線為20位，這樣它能尋址的能力其實(shí)是2^20=1MB,，這也就是實(shí)模式下CPU的最大尋址能力,。既然它有1MB尋址能力，那怎么用16位的段寄存器表示呢,？

    這就引出了分段的概念,，8086CPU將1MB存儲(chǔ)空間分成許多邏輯段，每個(gè)段最大限長(zhǎng)為64KB（但不一定就是64KB）,。這樣每個(gè)存儲(chǔ)單元就可以用“段基地址+段內(nèi)偏移地址”表示,。段基地址由16位段寄存器值左移4位表達(dá)，段內(nèi)偏移表示相對(duì)于某個(gè)段起始位置的偏移量,。比如：

SEG=0x07c0

jmpi offset, #SEG

offset: mov ax,cs 

保護(hù)模式尋址方式

    在定義“邏輯地址”時(shí)看到保護(hù)模式和實(shí)模式的區(qū)別在于它是用段選擇符而非段基地址,，這也許就是保護(hù)模式的真諦所在，從段選擇符入手,，全面理解保護(hù)模式編程基本概念和尋址方式,。

分段機(jī)制

    下面來看下保護(hù)模式是怎樣通過“段選擇符+段內(nèi)偏移”尋址最終的線性地址或物理地址的。

圖1 邏輯地址到線性地址轉(zhuǎn)換,，這里的邏輯地址即指保護(hù)模式下的“段選擇符+段內(nèi)偏移地址”,，如果不啟用分頁管理的情況下，那么此線性地址即最終的物理地址,。

圖1 邏輯地址到線性地址轉(zhuǎn)換

    在理解此圖時(shí)必須要明白段選擇符結(jié)構(gòu),、描述符表概念等，下面就一一介紹,。

如圖2段選擇符結(jié)構(gòu),，段選擇符為16位，它不直接指向段,，而是通過指向的段描述符,，段描述符（一會(huì)介紹）再定義段的信息。

圖2 段選擇符結(jié)構(gòu)

    其中TI用來指明全局描述符表GDT還是局部描述符表LDT,，RPL表示請(qǐng)求特權(quán)級(jí),，索引值為13位，所以從這里看出,，在保護(hù)模式下最多可以表示2^13=8192個(gè)段描述符,，而TI又分GDT和LDT（如圖3所示），所以一共可以表示8192*2=16384個(gè)段描述符,，每個(gè)段描述符可以指定一個(gè)具體的段信息,，所以一共可以表示16384個(gè)段。而圖1看出,，段內(nèi)偏移地址為32位值,，所以一個(gè)段最大可達(dá)4GB,，這樣16384*4GB＝64TB，這就是所謂的64TB最大尋址能力,，也即邏輯地址/虛擬地址,。

    在保護(hù)模式實(shí)際編程中，如下一條語句：jmpi 0, 8,。其中的8即段選擇符，8的二進(jìn)制表示為：0000 0000 0000 1000b,，所以這條語句的意思是跳轉(zhuǎn)到GDT表（TI＝0）中的第2個(gè)（段描述符表從０開始編號(hào),，所以這里的1指表中的第2個(gè)）段描述符定義的段中，其段內(nèi)偏移為0,。

圖3

    下面再來看段描述符結(jié)構(gòu),，段描述符表中的每一項(xiàng)為一個(gè)段描述符，每一項(xiàng)為8字節(jié),，其結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

    從圖中可知，段選擇符指向的段描述符里有三個(gè)部分基地址信息,，這三部分組成一個(gè)32位地址就決定了段基地址位置,，此地址再加上段內(nèi)偏移最終確定線性地址位置。

    段描述符中的S位和TYPE字段（四位）的不同又分為數(shù)據(jù)段描述符,、代碼段描述符（S=1）和系統(tǒng)段描述符(S=1),。數(shù)據(jù)段和代碼段描述符類型如圖5所示。

圖5

    系統(tǒng)段描述符如圖6所示,。

圖6

分頁機(jī)制

    到目前為止我們知道了保護(hù)模式下是怎樣通過段選擇符指向一個(gè)段描述符,，最終由段描述符+段內(nèi)偏移定位線性地址，在不啟用分頁情況下,，此線性地址就是物理地址,，那么在啟用分頁情況下，又是怎樣實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的映射轉(zhuǎn)換的呢,？這就是偉大的分頁機(jī)制,。

    分頁機(jī)制如下圖所示，它把物理內(nèi)存分成相同固定大小的頁面,，2^12=4KB,。每個(gè)頁面的0~4KB范圍由線性地址的低12位表示，線性地址空間的高10位用來指定頁目錄中的位置,，可以選擇2^10=1024個(gè)目錄項(xiàng),，每個(gè)目錄項(xiàng)為四字節(jié)，所以頁目錄為1024*4B=4KB,。每個(gè)目錄項(xiàng)中的高20位用以查找頁表在物理內(nèi)存中的頁面,，每個(gè)頁表含1024個(gè)頁表項(xiàng)，每個(gè)頁表項(xiàng)也是四字節(jié)，這樣一頁表也是1024*4B=4KB,。所以一個(gè)頁目錄可以查找1024個(gè)頁表,，每個(gè)頁表為4KB，所以總共可以查找的頁表大小為1024*4KB＝4MB大,。最后每個(gè)頁表項(xiàng)的高20位用以定位物理地址空間中的某個(gè)頁基地址,，此地址再加上線性地址空間的偏移值就是最后物理內(nèi)存空間單元。目錄項(xiàng)和頁表項(xiàng)結(jié)構(gòu)如圖8所示,。

圖7分頁機(jī)制

圖8

    從一個(gè)邏輯地址經(jīng)過分段和分頁尋址物理地址的整個(gè)過程就如圖9所示,。總的來說整個(gè)過就是邏輯地址經(jīng)分段機(jī)制變成線性地址,，如果不啟用分頁的情況下,，此線性地址就是物理地址；如果啟用分頁,，那么線性地址經(jīng)分頁機(jī)制變成物理地址,。

圖9分段和分頁

分段和分頁的意義

    說了半天分段和分頁的原理，它們到底有何用,？這里以保護(hù)模式下分段和分頁講解,。

圖10 多段模型

    如圖10所示。一個(gè)多段模型充分發(fā)揮了段機(jī)制的對(duì)代碼,、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序提供硬件保護(hù)的能力,。每個(gè)程序都有自己的段描述符表和自己的段。段可以完全屬于程序私有也可以和其它程序之間共享,。

訪問權(quán)限的檢查不僅僅用來保護(hù)地址越界,，也可以保護(hù)某一特定段不允許操作。例如代碼段是只讀段,，硬件可以阻擊向代碼段進(jìn)行寫操作,。

分頁為需求頁、虛擬內(nèi)存提供實(shí)現(xiàn)機(jī)制,。具體的實(shí)現(xiàn)機(jī)制可以再深入學(xué)習(xí),。

文獻(xiàn)資料

《深入理解Linux內(nèi)核》

《Linux內(nèi)核完全剖析》趙炯

《Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》

《Linux內(nèi)核修煉之道》

《新版匯編語言程序設(shè)計(jì)》錢曉捷著

《windows環(huán)境下32位匯編語言程序設(shè)計(jì)》羅云彬著