保护模式与分段模式

简介

为什么要有保护模式？

Intel 80386 只有在保护模式下，才可以提供更好的保护机制和更大的寻址空间；
没有保护机制，任何应用软件都可以任意地访问所有计算机资源；
许多操作系统功能（比如分页）都是建立在保护模式上设计的；

实模式

bootloader 在 BIOS 之后开始运行时，PC 处于 16 位实模式运行状态。

它主要有以下特点：

实模式下，上层软件可以访问的物理内存空间不超过 1MB；
实模式将整个物理内存看成分段的区域，每一个指针都是指向实际的物理内存。
通过修改 A20 地址线可以完成从实模式到保护模式的切换。

保护模式

概念

GDT 与 LDT：

保护模式下，有两个段表：GDT（Global Descriptor Table）和 LDT（Local Descriptor Table）

段描述符：GDT 表的内容；

为了兼容各个不同版本的 CPU，它的形式比较复杂；
它最重要的字段是 segment base 与 segment limit；
也称之为段，此处的段与 ELF 源程序中的 .text、.data 等概念中的段，是相同的。

段选择子：16 bits，GDT 表的索引；

[0:2] 是表格的优先级 (00 最高，11 最低)，[2:3] 是表格的类型 (0 为 GDT)，[3:16] 是 GDT 的索引；

介绍

保护模式有以下特点：

80386 的 32 根地址线全部有效；
上层软件可以寻址高达 4G 字节的地址空间，可访问 64TB 的逻辑地址空间；
采用了分段存储管理机制和分页存储管理机制。

分段存储管理机，逻辑地址（由段选择子 selector 与段偏移 offset 组成）到物理地址转换会通过以下的两个步骤：

第一步是从逻辑地址得到一个线性地址：

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线性地址 = 段描述符表[段选择子[15:3] ] + 段偏移

如果未开启分页地址转换，则线性地址即为物理地址；否则需要由操作系统进一步处理。