按下开关后，你的电脑发生了什么

从宏观上来说，你的电脑（其实是你的cpu）将会经历以下三个阶段：

实模式保护模式IA-32e模式（长模式）

其中的IA-32e模式也就是我们最终日常使用时电脑所处于的状态。

不同模式之间的区别是什么？
模式之间的区别主要是寻址方式之间的差别。也就是在不同模式状态下，cpu与内存之间的互动规则不同。并且实模式下最大寻址范围为2^{20Byte=1MB,保护模式下最大寻址范围为2}32Byte=4GB,IA-32e模式下最大寻址范围为2^64Byte=17179869184GB（理论上）

为什么要经历这三个模式？不能直接就是IA-32e模式吗？
这么做的目的是为了软件兼容性考虑，因为最初的8086cpu只有实模式这一个状态，大家编写的程序自然就运行在保护模式下。等过了一段时间，intel推出了支持保护模式的80286cpu，假如新的cpu直接舍弃了实模式而直接让cpu运行在保护模式下，那么以前大家所写的只能在实模式下运行的软件就无法在这块新的cpu上运行了。所以intel在后续新cpu推出的时候都不会舍弃以前cpu的运行模式，而是设置了几个开关，由用户（操作系统）自行控制cpu的模式。

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0.计算机运行的基本原理

0.1 CS:IP

CS:IP？这其实是两个东西。CS(code segment)代码段寄存器，IP(instruction pointer)指令指针寄存器。这两个东西是cpu里的两个结构，cpu通过这两个寄存器，经过一定规则（这个规则在不同的模式下是不同的）的变化转换成地址，然后就运行内存相应地址上的代码。

0.2 内存结构

你可以把内存想象成一连串带有编号的盒子。cpu根据上述的cs:ip找到对应的编号，然后取出盒子里面的代码来执行。

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1.实模式

1.1 实模式的寻址方式

通过前面所描述的内容可以得知，不同模式之间主要的区别就在于cpu寻址方式之间的差别。在实模式下，寻址的规则为：

段寄存器 指针寄存器 实际内存地址

上述计算都是16进制下的计算。其中10h为16进制下的10，等价于10进制下的16。

数字前方0x代表着此数为16进制数，或者在数字后方添加h也同样代表16进制。

也就是说，当cs=0x1111, ip=0x1111时，cpu将会运行0x1111*10h+0x1111也就是0x12221处的代码。

1.2 最初的时刻

在接通电源那一刻，cpu就处于实模式中。

以下出自《intel开发人员手册卷3A-part1》

image

也就是说，在开机后最初的时刻，cpu会将运行处于地址0xfffffff0里的代码。也就是我们通常所说的BIOS启动。经过一系列指令后，BIOS启动完成，BIOS将控制权交给用户。

1.3 真正开始接管对电脑的控制

在上述的BIOS启动中，所有的代码都是事先写好在硬件上的，用户并不参与控制。直到BIOS执行结束，用户才开始真正地控制电脑。

在BIOS交出控制权时，此时的cs=0x0000,ip=0x7c00,也就是说，cpu下一句执行的程序位于0x7c00这个地址，并且BIOS会将检查硬盘的第一个扇区中的最后两个字节，如果最后两个字节的数据为0xaa55，则会将第一个扇区内共512字节的数据放置到0x7c00-0x7e00中。在实模式下，最大的寻址空间只有1MB，而如今的内存地址早已普遍在8GB左右，所以电脑并不会在实模式下停留太久时间，而是立刻开始进入保护模式。

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2.保护模式

2.1 保护模式下的寻址方式

在保护模式下，寻址方式不同于实模式的段寄存器:指针寄存器,取而代之的是段选择子:偏移地址的寻址方式。此时的cs:ip所寻找的地址就不再是cs10hip。而且仅由cs:ip寄存器在保护模式下是无法寻找到地址的，我们还需要给lgdt寄存器赋予gdt表的基地址以及限长。寻址方式如下图：

image

假设此时cs=0008,ip=00000000,gdt基地址为0x7e00,那么此时的段选择子为cs=0x0008=1000B，则段选择子会在gdt基地址0x7e00上寻找第一个段描述符，此描述符的地址为0x7e08,其中段描述符的结构为：

image

取得段描述符中的段基址后再与偏移地址相加，就可以获得物理地址。

2.2 进入保护模式

从BIOS接管了电脑的控制权后，便会开始着手进入保护模式。

《intel开发人员手册3A-part1》

image

可知，需要进入保护模式，需要准备好以下数据结构：IDT(Interrupt Descriptor Table)中断描述符表，GDT(Global Descriptor Table)全局描述符表，TSS(task state segment)任务状态段因为只是暂时使用保护模式，一进入保护模式便开始准备进入IA-32e模式，所以不对IDT,TSS进行设置。进入保护模式的示意代码如下：

lgdt [gdt_size]

;====== open A20 address

in al, 0x92

or al, 00000010B

out 0x92, al

;====== open protect mode

mov eax, cr0

or eax, 1

mov cr0, eax

jmp 0x0008:0x00000000

gdt_start_desc  dq  0x0000000000000000

gdt_code_desc  dq  0x00cf9a000000ffff

gdt_data_desc  dq  0x00cf92000000ffff

gdt_size    dw  $ - gdt_start_desc

gdt_base    dd  gdt_start_desc

此时cpu进入保护模式，并且随着一句长转跳jmp 0x0008:0x00000000，cpu开始运行第一个段描述符中的偏移为0处地址的程序，此时运行代码的地址为0x0

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3.IA-32e模式

3.1 IA-32e的寻址方式

IA-32e模式的寻址方式，在保留了段选择子的情况下，简化了段描述符的基址与限长，使得段描述符可以直接寻址所有内存空间。并且在开启IA-32e模式的过程中，cpu强制开启页表结构，由对内存的分页来实现对内存的管理。

image

在IA-32e模式中，寻址不仅需要段选择子:偏移地址与GDT,还需要页表,通过段选择子:偏移地址与GDT形成的地址称为Canonical型地址,经过4重页表转换后就成为了物理地址。页表与全局描述符表一样，也是由用户自行设置，基地址由用户操作放入cr3寄存器。

3.2 进入IA-32e模式

《intel开发人员手册3A-part1》

image

可知：

1. IA-32e模式需要从保护模式中启动，并且需要关闭分页功能

2. 开启物理地址扩展PAE

3. 将第四层页表基地址加载至CR3寄存器

4. 通过将IA32_EFER.LME=1开启IA-32e模式

5. 开启分页功能。

示意代码如下：

mov dword [0x5000], 0x6007

mov dword [0x6000], 0x7007

mov dword [0x7000], 0x8007

mov dword [0x8000], 0x000

mov    dword [0x8038], 0x7007

lgdt [gdt64_size]

mov eax, cr4

bts eax, 5

mov cr4, eax

mov eax, 0x5000

mov cr3, eax

mov ecx, 0c0000080h

rdmsr

bts eax, 8

wrmsr

mov eax, cr0

bts eax, 31

bts eax, 0

mov cr0, eax

start_desc dq 0x0000000000000000

code_desc  dq 0x0000980000000000

data_desc  dq 0x0000920000000000

gdt64_size dw $-start_desc

gdt64_base dd start_desc

至此，cpu就进入我们日常使用的IA-32e模式了，接下来就是由操作系统来接管电脑的控制。