第4章 保护模式入门

为什么要有保护模式？

实模式下的不足

• 实模式下操作系统与用户程序处于同一特权级，平起平坐，没有区别对待
• 用户所引用的地址都是指向真实的物理地址，也就是说逻辑地址等于物理地址
• 用户程序可以自由的修改段基址，这几乎可以访问所有的内存
• 访问超过64K的地址就需要切换段基址，容易蒙蔽
• 一次只能运行一个程序
• 共20条地址线，最大可用内存为1MB，这在之前就不可以用了

保护模式

保护模式之寄存器扩展

除了段寄存器之外，通用寄存器，指令指针寄存器，标志寄存器都由原来的16位扩展为32位寄存器。经过extend后的寄存器，前面都加e，寻址范围达到4GB

• 保护模式增加了一个描述符表，表中至少有一个表项称为段描述符，其大小为64字节用来描述各个内存段的起始地址，大小，权限等信息。段寄存器中保存的不在时段基址，而是称为“选择子”的内容，selector，用这个数来索引全局描述表中的段描述符，把全局描述符表当成数组，选择子就像数组下标一样。
• 为了提供获取段信息的效率，对段寄存器率先应用了缓存技术，将段信息缓存用一个寄存器来缓存，这就是段描述符缓冲寄存器（Descriptor Cache Register）
  三种段描述缓存寄存器结构：
  

80286：拥有了保护模式，地址总线由20位扩宽到了24位，即寻址空间为2的24次方，16MB。但是80286的通用寄存器还是16位，即单独的寄存器寻址还是64KB，要想防伪全部的空间，还是需要不停的切换段基址
80386: 提升地址中线与寄存器都为32位，段基址是32位，单独的一个寄存器也是32位，任意一个段都可以访问4GB的空间

综上所述，CPU有三种模式：实模式、虚拟8086模式，保护模式

保护模式之运行模式反转

bits的指令格式是[bits16]或[bits32]
bits[16]:声明下面的指令编译为16位的机器码
bits[32]:声明下面的指令编译为32位的机器码

操作数反转指令0x66
如果当前的模式是16位实模式，操作数大小是32位
如果当前的模式是32位保护模式，操作数大小变为16位

寻址方式反转前缀0x67

保护模式之指令扩展

mul无符号数相乘指令扩展：

• 若乘数是8位，则把寄存器al当作另一个乘数，结果是16位，存入ax中
• 若乘数是16位，则把ax当作另一个乘数，结果是32位，存入dx：ax中，其中dx是结果的高16位，ax是结果的低16位
• 若乘数是32位，则把eax当作另一个乘数，结果是64位，存入edx:eax,edx为高32位，eax为低32位
  imul同上

div无符号数除法指令：

• 如果除数是8位，被除数就是16位，位于寄存器ax，商在寄存器al，余数在寄存器ah。
• 如果除数是16位，被除数就是32位，高16位在dx，低16位在ax，商在ax，余数在dx。
• 如果除数是32位，被除数是64位，高32位在edx，低32位在eax，商在寄存器eax，余数在edx。

全局描述符表GDT

段描述符

全局描述符表GDT、局部描述符表LDT及选择子

• 一个段描述符只能用来定义一个内存段。代码段要占用一个段描述符，数据段与栈段也要各自占用一个描述符，这些描述符就放在全局描述符表GDT中
• GDT位于内存中，拥有独立的寄存器，拥有专门的寄存器GDTR，专门用来存储GDT的内存地址与大小。GDTR是48位寄存器
• 段寄存器CS、DS、ES、FS、GS、SS，在实模式下，段中存储的是段基址，即内存段的起始地址；而在保护模式下，在段寄存器中存入选择子的东西

打开A20地址线

in al, 0x92
or al, 0000_0010B
out 0x92, al

地址回绕：实模式下的内存访问采取“段基址：段内偏移地址”，由于实模式下是20位地址先，最大寻址空间是1MB，即0x00000~0xFFFFF。CPU采用了地址回绕的方式，对于超过1MB多的部分会自动回绕到0地址，继续由）地址开始映射。超过1MB多余出来的内存被成为高端内存区HMA

保护模式的开关，CR0寄存器的PE位

PE：Protection Enable,用于控制是否启用保护模式，是保护模式的开关

mov eax, cr0
or eax, 0x00000001
mov cr0, eax

处理器微架构简介

流水线作业
计算机系统设计者的基本任务是提高处理机指令的执行速度,而采取的主要措施是指令级的并行性,即让多条指令同时参与解释的过程。
将一个指令的执行过程分为多个阶段，一般把一条指令的解释过程分为3个(取指、分析和执行)或5个(取指、译码、执行、访存和写回)阶段。然后执行过程如下图：

乱序执行
乱序执行是指在CPU中运行的指令不按照代码中的顺序执行，而是按照一定的策略将打乱顺序执行，也许后面的指令会先执行。
缓存

• cpu中有一级缓存L1，二级缓存L2，三级缓存L3等，他们都是SRAM，即静态存取寄存器。
  缓存的局限性：程序的90%的时间都运行在程序中的10%代码上。分为两个方面：

1. 最近访问过的指令与数据，在将来的一段的时间内依然经常被访问。
2. 靠近当前访问内存空间的内存地址，在将来的一段时间也会被访问。

分支预测
流水线是提高CPU效率的方式，但流水线最大的问题是程序的分支结构，如何把握分支的方向，才能是流水线高效率。

• 2位预测法：最简单的预测法。使用2bit的计数器来记录跳转状态，每跳转一次就加一，直到加到最大值3就不再加了，如果未跳转就减一，直到减到0就不在减了。当遇到跳转指令，如果计数器的值大于1则跳转，如果小于等于1则不跳转。

使用远跳转指令清空流水线，更新段描述符缓冲寄存器