“段寄存器”的故事

一、 段寄存器的产生

段寄存器的产生源于Intel 8086 CPU体系结构中数据总线与地址总线的宽度不一致。

 

数据总线的宽度，也即是ALU(算数逻辑单元)的宽度，平常说一个CPU是“16位”或者“32位”指的就是这个。8086CPU的数据总线是16位。

 

地址总线的宽度不一定要与ALU的宽度相同。因为ALU的宽度是固定的，它受限于当时的工艺水平，当时只能制造出16位的ALU；但地址总线不一样，它可以设计得更宽。地址总线的宽度如果与ALU相同当然是不错的办法，这样CPU的结构比较均衡，寻址可以在单个指令周期内完成，效率最高；而且从软件的解决来看，一个变量地址的长度可以用整型或者长整型来表示会比较方便。

 

但是，地址总线的宽度还要受制于需求，因为地址总线的宽度决定了系统可寻址的范围，即可以支持多少内存。如果地址总线太窄的话，可寻址范围会很小。如果地址总线设计为16位的话，可寻址空间是2^16=64KB，这在当时被认为是不够的；Intel最终决定要让8086的地址空间为1M，也就是20位地址总线。

 

地址总线宽度大于数据总线会带来一些麻烦，ALU无法在单个指令周期里完成对地址数据的运算。有一些容易想到的可行的办法，比如定义一个新的寄存器专门用于存放地址的高4位，但这样增加了计算的复杂性，程序员要增加成倍的汇编代码来操作地址数据而且无法保持兼容性。

 

Intel想到了一个折中的办法：把内存分段，并设计了4个段寄存器，CS，DS，ES和SS，分别用于指令、数据、其它和堆栈。把内存分为很多段，每一段有一个段基址，当然段基址也是一个20位的内存地址。不过段寄存器仍然是16位的，它的内容代表了段基址的高16位，这个16位的地址后面再加上4个0就构成20位的段基址。而原来的16位地址只是段内的偏移量。这样，一个完整的物理内存地址就由两部分组成，高16位的段基址和低16位的段内偏移量，当然它们有12位是重叠的，它们两部分相加在一起，才构成完整的物理地址。

 

Base	b15 ~ b12	b11 ~ b0
Offset		o15 ~ o4	o3 ~ o0
Address	a19 ~ a0

 

这种寻址模式也就是“实地址模式”。在8086中，段寄存器还只是一个单纯的16位寄存器，而且操作寄存器的指令也不是特权指令。通过设置段寄存器和段内偏移，程序就可以访问整个物理内存，无安全性可言。

 

总之一句话，段寄存器的设计是一个权宜之计，现在看来可以说是一个临时性的解决方案，设计它的目的是为了把地址空间从64KB扩展为1MB，仅此而已。但是它的加入却为日后Intel系列芯片的发展带来诸多不便，也为理解i386体系带来困扰。

二、 实现保护模式

到了80386问世的时候，工艺已经有了很大的进步，386的ALU有已经从16位跃升为32位，也就是说，38086是32位的CPU，而且结构也已经比较成熟，接下来的80486一直到Pentium系列虽然速度提高了几个数量级，但并没有质的变化，所以被统称为i386结构。

 

对于32位的CPU来说，只要地址总线宽度与数据总线宽度相同，就可以寻址2^32=4GB的内存空间，这已经足够用，已经不再需要段寄存器来帮助扩展。但这时Intel已经无法把段寄存器从产品中去掉，因为新的CPU也是产品系列中的一员，根据兼容性的需要，段寄存器必须保留下来。

 

这时，技术的发展需求Intel在其CPU中实现“保护模式”，用户程序的可访问内存范围必须受到限制，不能再任意地访问内存所有地址。Intel决定利用段寄存器来实现他们的保护模式，把保护模式建立在段寄存器的基础之上。

 

对于段的描述不再只是一个20位的起始地址，而是全新地定义了“段描述项”。段描述项的结构如下：

 

B31 ~ B24		DES1 (4 bit)	L19 ~ L16
DES2 (8 bit)		B23 ~ B16
B15 ~ B0
L15 ~ L0

 

每一行是两个字节，总共8个字节，64位。

 

DES1和DES2分别是一些描述信息，用于描述本段是数据段还是代码段，以及读写权限等等。B0~B31是段的基地址，L0~L19是段的长度。

 

注意，规定段的长度是非常必要的，如果不限定段长度，“保护”就无从谈起，用户程序的访问至少不能超过段的范围。另外，段长度只有20位，所代表的最大可能长度为2^20=1M，而整个地址空间是2^32=4GB，这样来看，段的长度是不是太短了？其实，在DES1中，有一位用于表示段长度的单位，当它被置1时(一般情况下都是如此)，表示长度单位为4KB，这样，一个段的最大可能尺寸就成了1M*4K=4G，与地址空间相稳合。4KB也正是一个内存页的大小，说明段的大小也是向页对齐的。

 

另外，注意到一个有趣的现象吗？段描述项的结构被设计得不连续，不论是段基地址还是段长度，都被分成了两节表示。这样的设计与80286的过渡有关。上面的段描述项结构去掉第一行后剩下的三行正是286的段描述项。286被设计为24位地址总线，所以段基址是24位，相应地段长是16位。在386的地址总线扩展为32位之后，还必须兼容286产品的设计，所以只好在段描述项上“打补丁”。

 

在386中，段寄存器还是16位，那么16位的段寄存器如何存放得下64位的段描述项？ 段描述项不再由段寄存器直接持有。段描述项存放在内存里，系统中可以有很多个段描述项，这些项连续存放，共同构成一张表，16位的段寄存器里只是含有这张表里的一个索引，但也并不仅是一个简单的序号，而是存储了一种数据结构，这种结构的定义如下：

 

index (b15 ~ b3)

TI (b2)

RPL (b1 ~ b0)

 

其中index是段描述表的索引，它指向其中的某一个段描述项。RPL表示权限，00最高，11最低。

 

还有一个关键的问题，内存中的段描述表的起始地址在哪里？显然光有索引是有不够的。为此，Intel又设计了两个新的寄存器：GDTR(global descriptor table register)和LDTR(local descriptor table register)，分别用来存储段描述表的地址。段寄存器中的TI位正是用于指示使用GDTR还是LDTR。

 

当用户程序要求访问内存时，CPU根据指令的性质确定使用哪个段寄存器，转移指令中的地址在代码段，取数指令中的地址在数据段；根据段寄存器中的索引值，找到段描述项，取得段基址；指令中的地址是段内偏移，与段长比较，确保没有越界；检查权限；把段基址和偏移相加，构成物理地址，取得数据。

 

新的设计中处处有权限与范围的限制，用户程序只能访问被授权的内存空间，从而实现了保护机制。就这样，在段寄存器的基础上，Intel实现了自己的“保护模式”。

三、 与页式存管并存

现代操作系统的发展要求CPU支持页式存储管理。

 

页式存管本身是与段式存管分立的，两者没有什么关系。但对于Intel来说，同样是由于“段寄存器”这个历史的原因，它必须把页式存管建立在段式存管的基础之上，尽管这从设计的角度来说这是没有道理，也根本没有必要的。

 

在段式存管中，由程序发出的变量地址经映射（段基址+段内偏移）之后，得到的32位地址就是一个物理地址，是可以直接放到地址总线是去取数的。

 

在页式存管中，过程也是相似的，由程序发出的变量地址并不是实际的物理地址，而是一个三层的索引结构，这个地址经过一系统的映射之后才可以得到物理地址。

 

现在对于Intel CPU来说，以上两个映射过程就要先后各做一次。由程序发出的变量地址称为“逻辑地址”，先经过段式映射成为“线性地址”，线性地址再做为页式映射的输入，最后得到“物理地址”。

 

Linux内核实现了页式存储管理，而且并没有因为两层存管的映射而变得更复杂。Linux更关注页式内存管理，对于段式映射，采用了特殊的方式把它简化。让每个段寄存器都指向同一个段描述项，即只设了一个段，而这个段的基地址为0，段长度设为最大值4G，这个段就与整个物理内存相重合，逻辑地址经映射之后就与线性地址相同，从而把段式存管变成“透明”的。

 

 

这，就是Intel处理器中“段寄存器”的故事。

 

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