深入理解计算机系统-之-内存寻址（二）--存储保护机制（CPU实模式与保护模式）

cpu的保护模式由来

分段机制

8086的诞生，标志着Intel 正式进入了x86时代，这是个多么具有纪念意义的日子：1978-6-8。同时，8086的诞生也是处理器内存寻址技术的第一次飞跃。

对于一根实际的、实实在在的、物理的、可看得见、摸得着的内存条而言，处理器把它当做8位一个字节的序列来管理和存取，每一个内存字节都有一个对应的地址，我们叫它物理地址，用地址可以表示的长度叫做寻址空间。而CPU是如何去访问内存单元里的数据的方式就叫做寻址。

8086得CPU在内存寻址方面第一次引入了一个非常重要的概念—-段。在8086之前都是4位机和8位机的天下，那是并没有段的概念。当程序要访问内存时都是要给出内存的实际物理地址，这样在程序源代码中就会出现很多硬编码的物理地址。这样的程序可想而知，难重定位，可控性弱，结构丑陋，那个年代写这样的程序在我们现在看来是多么让人恼火的一件事儿。

8080问世后四年也就是1978年，Intel开始设计16位CPU，正常来说8086的寻址空间应该是 216=64KB 才对，但Intel就偏偏不这干，8086的目标寻址空间直指1M，也就是说8086的地址总线位宽要达到20位。如何让16位的内部寄存器对20位的外部地址空间进行寻址，Intel的工程师们从当时的PDP-11小型机身上找到了灵感。PDP-11是美国迪吉多电脑(Digital Equipment Corp.)公司于1970到1980年代热销的16位迷你电脑，PDP-11的内存管理单元(MMU)可以将16位地址映射到24位地址空间里(至于人家是怎么弄，我就真不晓得了)。

为了支持分段机制，Intel在8086的CPU里新增了4个寄存器，分别是代码段CS，数据段DS，堆栈段SS和其他ES。这样一来，一个物理地址就由两个部分组成，分别是“段地址”:“段内偏移量”。

例如，ES=0x1000，DI=0xFFFF，那么这个数据ES:DI在内存里的绝对物理地址就是：
AD(Absolute Address)=(ES)*(0x10)+(DI)=0x1FFFF
就是讲段基地址左移4位然后加上段内偏移量就得到了物理内存里的绝对地址，经过这么一个变换，就可以得到一个20位的地址，8086就可以对20位的1M内存空间进行寻址了。

很明显，这种方式可以寻址的最高地址为0xFFFF:0xFFFF，其地址空间为0x00000~0x10FFEF，因为8086的地址总线是20位，最大只能访问到1MB的物理地址空间，即物理地址空间是0x00000~0xFFFFF。当程序访问0x100000~0x10FFEF这一段地址时，因为其逻辑上是正常的，CPU并不会认为其访问越界而产生异常，但这段地址确实没有实际的物理地址与其对应，怎么办？此时CPU采取的策略是，对于这部分超出1M地址空间的部分，自动将其从物理0地址处开始映射。也就是说，系统计算实际物理地址时是按照对1M求模运算的方式进行的，在有些技术文献里你会看到这种技术被称之为wrap-around。

根据前面的讲解我们可以发现段基址有个特征，其低4位全为0，也就是说每个段的起始地址一定是16的整数倍，这是分段的一个基本原则。这样每个段的最小长度是16字节，而最大长度只能是64KB。这里我们可以计算一下，1MB的物理地址空间能划分成多少个段。

如果每个段的长度为16字节，这样1MB物理地址空间最多可以划分成64K个段；

如果每个段的长度为64KB，那么1MB的物理地址空间最多能划分成16个段。

8086这种分段基址虽然实现了寻址空间的提升，但是也带来一些问题

1、同一个物理地址可以有多种表示方法。例如0x01C0:0x0000和0x0000:0x1C00所表示的物理地址都是0x01C00。

2、地址空间缺乏保护机制。对于每一个由段寄存器的内容确定的“基地址”，一个进程总是能够访问从此开始64KB的连续地址空间，而无法加以限制。另一方面，可以用来改变段寄存器内容的指令也不是什么“特权指令”，也就是说，通过改变段寄存器的内容，一个进程可以随心所欲地访问内存中的任何一个单元，而丝毫不受限制。不能对一个进程的内存访问加以限制，也就谈不上对其他进程以及系统本身的保护。与此相应，一个CPU如果缺乏对内存访问的限制，或者说保护，就谈不上什么内存管理，也就谈不上是现代意义上的中央处理器。

总结一下：8086和后来的80186，这种只能访问1MB地址空间的工作模式，我们将其称之为“实模式”。我的理解就是“实际地址模式”,因为通过段基址和段偏移算出来的地址，经过模1MB之后得出来的地址都是实际内存的物理地址。

保护机制

为了支持多任务，对各任务实施保护是必须的。

由于8086的上述问题，1982年，Intel在80286的CPU里，首次引入的地址保护的概念。也就是说80286的CPU能够对内存及一些其他外围设备做硬件级的保护设置（实质上就是屏蔽一些地址的访问）。自从最初的x86微处理器规格以后，它对程序开发完全向下兼容，80286芯片被制作成启动时继承了以前版本芯片的特性，工作在实模式下，在这种模式下实际上是关闭了新的保护功能特性，因此能使以往的软件继续工作在新的芯片下。后续的x86处理器都是在计算机加电启动时都是工作在实模式下。

也就是说，在保护模式下，程序不能再随意的访问物理内存了，有些内存地址CPU做了明确的保护限制。保护机制能有效的实现不同任务之间和同一任务内的保护。

1985年80386的问世，使Intel完成了从16位到32位CPU的飞跃，这中间80286毫无疑问的就成了这次飞跃的跳板。80286的地址线已经达到24位，可寻址空间是16MB，但Intel当初设计80286时提出的目标是向下兼容，这也是Intel一贯的作风，正是这种作风为Intel后面设计80386时增添了几根儿烦恼丝。所以，在“实模式”下，80286所表现的行为和8086所表现的完全一样。

80386是32位CPU，也就是说它的ALU数据总线是32位，地址总线的位宽和CPU内部数据总线的位宽是一致的，都是32位，其寻址范围可达4GB。如果重新设计80386的架构，其结构应该相当简洁才对。但是80386却很遗憾的无法做到这一点，作为一个产品系列中的成员分子，80386必须继续维持“前辈”们的那些段寄存器，必须支持实模式，同时还要支持保护模式。可以看得出来，80386其实也不容易。

所以，Intel决定在80386的段寄存器(CS,DS,SS,ES)的基础上构筑保护模式，并且继续保留段寄存器为16位,同时又增添了两个段寄存器FS和GS。显然，为了实现保护模式，光是用段寄存器来确定一个基地址是不够的，至少还要有一个地址段的长度，并且还需要一些诸如访问权限之类的其他信息。所以，这里需要的是一个数据结构(这个数据结构就叫做“段描述符”，以后会看到)，而并非一个单纯的基地址。

对此， Intel设计人员的基本思路是：

在保护模式下改变段寄存器的功能，使其从一个单纯的段基址变成指向一个“段描述符”的指针。因此，当一个访存指令发出一个内存地址时， CPU按照下面过程实现从指令中的32位逻辑地址到32位线性地址，再到物理地址的转换：
1、首先根据指令的性质来确定该使用哪一个段寄存器，例如操作指令中的地址在代码段CS里，而数据指令中的地址在数据段DS里。这一点与实地址模式相同。
2、根据段寄存器里的内容，找到相应的“段描述符”结构。
3、然后，从“段描述符”里得到的才是段基址。
4、将指令中的地址作为偏移量，然后和段描述符结构中规定的段长度进行比较，看齐是否越界。
5、根据指令的性质和段描述符中的访问权限来确定当前指令操作是否越权。
6、最后才将指令中的地址作为偏移量，与段基址相加得到线性地址，或者叫虚拟地址。
7、最后根据线性地址算出实际的物理地址。

所以，实模式就是8086及其之前的CPU只能寻址1MB物理地址空间，且寻到的就是实实在在的物理地址的模式，用户程序想干啥干啥，无法无天；而保护模式，就是说用户层的程序，某些地址你是不能访问的，或者说是有限制性的访问，且你访问到的地址不再是物理地址了，而是一个虚拟的地址。这个虚拟地址要经过一系列算法处理，最终映射到实际物理地址单元里去。

现在运行在X86CPU上的主流操作系统，如Linux，FreeBSD，Windows95以后的版本以及MAC OS X等都是工作在保护模式下。一般情况下，处理器只有在上电启动，引导阶段，初始化系统时才会进入实模式，当实模式阶段的任务完成后，它就切换到了保护模式。当切换到保护模式后就很难再回到实模式了，几乎不可能。

• 1 为什么要有cpu的保护模式？

  　　我非常总结的说一下。保护模式主要目的保护多任务之间代码访问的完全隔离（使用虚拟地址），单任务的用户代码和系统代码的访问格式（使用cpu的privilege环）。当然虚拟地址也给内存管理带来了其他的好处，更细节的看下面的文章转载

• 2 为什么一定要从实模式切换到保护模式，而不是开机就是保护模式？

  　　最主要的原因是：兼容以前的软件，不兼容以前的软件就会失去市场，所以intel处理器发展到今天回如此的复杂。

不同任务之间的保护

保护的一个重要方面是应用程序之间的保护。虚拟地址到物理地址的映射函数在每个任务中进行定义，随着任务切换，映射函数也切换。任务A的虚拟地址空间映射到物理地址空间的某个区域，而任务B的虚拟地址空间映射到物理地址空间的另外区域，彼此独立，互不相干。因此，两个不同的任务，尽管虚拟存储单元地址相同，但实际的物理存储单元地址可以不同。

每个任务各有一组独立的映射表，即具有不同的地址转换函数。在x86上， 每个任务都有自己的段表及页表。当处理器进行切换并执行新的任务时，这种任务切换的一个重要部分，就是为新任务切换任务的转换表。为了使操作系统与所有的 应用程序相隔离，可以把操作系统存储在一个单一的任务中。然而，我们即将看到，在一个任务内操作的保护机制，更适合于保护操作系统，使其不被应用程序破 坏。这种机制，使操作系统由所有任务共享，并且可在每一任务中对其进行访问，而且仍然保护了操作系统，使其不被应用程序破坏。这种保护操作系统的方法，是 把操作系统存储在虚拟地址空间的一个公共区域，然后，再使每一任务按此区域分配一个同样的虚拟地址空间，并进行同样的虚拟–物理地址映射。各个任务公用的这部分虚拟地址空间，被称为全局地址空间。

仅由一个任务占有的虚拟地址空间部分，即不被任何其它任务共享的虚拟地址部分，称为局部地址空间。局部地址空间包含的代码和数据，是任务私有的，需要与系统中的其它任务相隔离。

每个任务中有不同的局部地址空间。因此，两个不同的任务中，对同一虚拟地址的访问，实际上转换为不同的物理地址。这就使操作系统对每个任务的存储器，可以赋予相同的虚拟地址，仍然保证任务的隔离。另一方面，对全局地址空间中同一虚拟地址的访问，在所有任务中都转换为同样的物理地址，从而支持公共的代码及数据的共享，例如对操作系统的共享。

因此两个不同的任务，尽管虚拟地址单元相同，但是实际的物理存储单元地址可以不同。

同一任务内的保护

在一个任务之内，定义有四种执行特权级别，用于限制对任务中的段进行访问。按照包含在段中的数据的重要性和代码的可信程度，给段指定特权级别。把最高的特 权级别分配给最重要的数据段和最可信任的代码段。

具有最高特权级别的数据，只能由最可信任的代码访问。给不重要的数据段和一般代码段分配较低的特权级别。 具有最低特权级别的数据，可被具有任何特权级别的代码访问。

特权级别用数字0、1、2和3表示，数字0表示最高特权级别，而数字3表示最低特权级别，即数字较大的级别具有较低的特权。为了避免模糊和混淆，在比较特权级别时，不使用“大于”或“小于”这样的术语，而使用“里面”或“内层”这样的术语表示较高特权级，级别的数字较小；使用“外面”或“外层”这样的术语表示较低特权级别，级别的数字较大。0级为最内层的特权级别，3级为最外层的特权级别。

特权级(Ring)也叫(hierarchical protection domains)，有的也称为用户态(user mode)。它是一种机制来保护数据和阻止恶意行为（确保计算机安全）。电脑操作系统提供不同权限访问级别的资源。特权级分为4级，特权级0、1、2、3。

CS代码段寄存器，一般用于存放代码，它就含有一个特殊的两位字段，用以标识CPU当前的特权级别(CurrentPrivilegeLevel,CPL)，值为0代表最高优先级，值为3代表最低优先级。在linux和windows均只使用特权级0和特权级3。分别称为内核态和用户态。

特权最高的一般是特权级0，可以直接操作硬件，如CPU和内存。

一般操作系统和驱动运行在此级别下。特权级3是给一般的程序使用的，可以调用基本的CPU指令。在特权级三无法调用特权级0的指令，如果调用则显示为非法指令。
引用特权级的概念是为了保护计算机，一些危险指令只有操作系统可以执行，防止普通程序滥用其他程序的资源。如间谍软件要想开启摄像头就必须向特权级0的驱动程序请求开启，否则就不允许。

每一特权级都有各自独立的程序堆栈，以避免与共享栈区有关的保护问题。当一个程序从一个特权级切换到另一个特权级执行时，程序使用的堆栈，从原特权级的栈段改变为新特权级的栈段。对于堆栈段寄存器 SS来说，描述符特权级(DPL)必须等于当前代码段的特权级(CPL)。从一个特权级切换到另一特权级的方法将在控制转移方法一文中描述。

每个存储器段都与一个特权级别相联系。特权级别限制是指，只有足够级别的程序，才可对相应的段进行访问。在任何时候，一个任务总是在四个特权级之一下运行，任务在特定时刻的特权级称为当前特权级 (Current Privilege level)，标记为CPL，即当前运行程序的特权级。每当一个程序试图访问一个段时，就把CPL与要访问的段的特权级进行比较，以决定是否允许这一访问。对给定CPL执行的程序，允许访问同一级别或外层级别的数据段。

虽然应用程序都在最外层，但由于各个不同的应用程序存储在不同的虚拟地址空间中，所以各应用程序被隔离保护。

实模式

实模式（即实地址访问模式）它是Intel公司80286及以后的x86(80386,80486和80586等)兼容处理器（CPU）的一种操作模式。

实模式被特殊定义为20位地址内存可访问空间上，这就意味着它的容量是2的20次幂（1M）的可访问内存空间（物理内存和BIOS-ROM），软件可通过这些地址直接访问BIOS程序和外围硬件。

实模式下处理器没有硬件级的内存保护概念和多道任务的工作模式。但是为了向下兼容，所以80286及以后的x86系列兼容处理器仍然是开机启动时工作在实模式下。8086和早期的处理器仅有一种操作模式，就是后来我们所定义的实模式。实模式虽然能访问到1M的地址空间，但是由于BIOS的映射作用（即BIOS占用了部分空间地址资源），所以真正能使用的物理内存空间（内存条），也就是在640k到924k之间。1M地址空间组成是由16位的段地址和16位的段内偏移地址组成的。

用公式表示为：物理地址=左移4位的段地址+偏移地址

保护模式

286处理器体系结构引入了地址保护模式的概念，处理器能够对内存及一些其他外围设备做硬件级的保护设置（保护设置实质上就是屏蔽一些地址的访问）。使用这些新的特性，然而必不可少一些额外的在8086及以前处理器没有的操作规程。

自从最初的x86微处理器规格以后，它对程序开发完全向下兼容，80286芯片被制作成启动时继承了以前版本芯片的特性，工作在实模式下，在这种模式下实际上是关闭了新的保护功能特性，因此能使以往的软件继续工作在新的芯片下。直到今天，甚至最新的x86处理器都是在计算机加电启动时都是工作在实模式下，它能运行为以前处理器芯片写的程序.

实模式和保护模式的区别

寻址方式

从表面上看，保护模式和实模式并没有太大的区别，二者都使用了内存段、中断和设备驱动来处理硬件，但二者有很多不同之处。

我们知道，在实模式中内存被划分成段，每个段的大小为64KB，而这样的段地址可以用16位来表示。内存段的处理是通过和段寄存器相关联的内部机制来处理的，这些段寄存器（CS、DS、 SS和ES）的内容形成了物理地址的一部分。具体来说，最终的物理地址是由16位的段地址和16位的段内偏移地址组成的。

用公式表示为：物理地址=左移4位的段地址+偏移地址。

在保护模式下，段是通过一系列被称之为“描述符表”的表所定义的。段寄存器存储的是指向这些表的指针。

用于定义内存段的表有两种：全局描述符表(GDT) 和局部描述符表(LDT)。

GDT是一个段描述符数组，其中包含所有应用程序都可以使用的基本描述符。在实模式中，段长是固定的(为64KB)，而在保护模式中，段长是可变的，其最大可达4GB。

LDT也是段描述符的一个数组。与GDT不同，LDT是一个段，其中存放的是局部的、不需要全局共享的段描述符。

每一个操作系统都必须定义一个GDT，而每一个正在运行的任务都会有一个相应的LDT。

每一个描述符的长度是8个字节。当段寄存器被加载的时候，段基地址就会从相应的表入口获得。描述符的内容会被存储在一个程序员不可见的影像寄存器(shadow register)之中，以便下一次同一个段可以使用该信息而不用每次都到表中提取。物理地址由16位或者32位的偏移加上影像寄存器中的基址组成。

程序的运行方式

程序运行的实质是什么?其实很简单,就是指令的执行,显然CPU是指令得以执行的硬件保障,那么CPU如何知道指令在什么地方呢?

对了,80x86系列是使用CS寄存器配合IP寄存器来通知CPU指令在内存中的位置.

程序指令在执行过程中一般还需要有各种数据,80x86系列有DS、ES、FS、GS、SS等用于指示不同用途的数据段在内存中的位置。程序可能需要调用系统的服务子程序，80x86系列使用中断机制来实现系统服务。

总的来说，这些就是实模式下一个程序运行所需的主要内容（其它如跳转、返回、端口操作等相对来说比较次要。）

无论实模式还是保护模式，根本的问题还是程序如何在其中运行。因此我们在学习保护模式时应该时刻围绕这个问题来思考。和实模式下一样，保护模式下程序运行的实质仍是“CPU执行指令，操作相关数据”，因此实模式下的各种代码段、数据段、堆栈段、中断服务程序仍然存在，且功能、作用不变。

那么保护模式下最大的变化是什么呢？答案可能因人而异，我的
答案是“地址转换方式”变化最大。

地址转换方式

先看一下实模式下的地址转换方式，假设我们在ES中存入0x1000，DI中存入0xFFFF,那么ES:DI=0x1000*0x10+0xFFFF=0x1FFFF,这就是众所周知的“左移4位加偏移”。

那么如果在保护模式下呢？假设上面的数据不变ES=0x1000,DI=0xFFFF，现在ES:DI等于什么呢？
公式如下：（注：0x1000=1000000000000b= 10 0000 0000 0 00）

ES:DI=全局描述符表中第0x200项描述符给出的段基址+0xFFFF

现在比较一下，好象是不一样。再仔细看看，又好象没什么区别！
为什么说没什么区别，因为我的想法是，既然ES中的内容都不是真正的段地址，凭什么实模式下称ES为“段寄存器”，而到了保护模式就说是“选择子”？

其实它们都是一种映射，只是映射规则不同而已：在实模式下这个“地址转换方式”是直接“左移4位”；在保护模式下是“查全局/局部描述表”得到段值。

前者是系统定义的映射方式，后者是用户自定义的转换方式。而它影响的都是“shadow register”

从函数的观点来看，前者是表达式函数，后者是列举式函数：
实模式： F(es–>segment)={segment |segment=es*0x10}
保护模式：F(es–>segment)={segment |(es,segment)∈GDT/LDT}
其中GDT、LDT分别表示全局描述符表和局部描述符表。