实模式和保护模式 《转》

一。

二。

三。

四。

一。x86实模式介绍

x86体系的处理器刚开始时只有20根地址线，寻址寄存器是16位。我们知道16位的寄存器可以访问64K的地址 空间，如果程序要想访问大于64K的内存，就需要把内存分段，每段64K，用段地址+偏移量的方式来访问，这样使20根地址线全用上，最大的寻址空间就可 以到1M字节，这在当时已经是非常大的内存空间了。

二。实模式的问题与保护模式的出现

事实上，实模式将整个物理内存看成分段的区域，程序代码和数据位于不同区域，系统程序和用户程序并没有区别对待， 而且每一个指针都是指向实际的物理地址。这样一来，用户程序的一个指针如果指向了系统程序区域或其他用户程序区域，并修改了内容，那么对于这个被修改的系 统程序或用户程序，其后果就很可能是灾难性的。再者，随着软件的发展，1M的寻址空间已经远远不能满足实际的需求了。最后，对处理器多任务支持需求也日益 紧迫，所有这些都促使新技术的出现。

为了克服实模式下的内存非法访问问题，并满足飞速发展的内存寻址和多任务需求，处理器厂商开发出保护模式。在保护 模式中，除了内存寻址空间大大提高；提供了硬件对多任务的支持；物理内存地址也不能直接被程序访问，程序内部的地址(虚拟地址)要由操作系统转化为物理地 址去访问，程序对此一无所知。至此，进程(程序的运行态)有了严格的边界，任何其他进程根本没有办法访问不属于自己的物理内存区域，甚至在自己的虚拟地址 范围内也不是可以任意访问的，因为有一些虚拟区域已经被放进一些公共系统运行库。这些区域也不能随便修改，若修改就会有出现linux中的段错误，或 Windows中的非法内存访问对话框。

三。386以上处理器的特点

386处理器有三种工作方式：实模式、保护模式和虚拟8086模式。

在保护方式下，全部32条地址线有效，可寻址高达4G字节的物理地址空间；扩充的存储器分段管理机制和可选的存储 器分页管理机制，不仅为存储器共享和保护提供了硬件支持，而且为实现虚拟存储器提供了硬件支持；支持多任务，能够快速地进行任务切换和保护任务环境；4个 特权级和完善的特权检查机制，既能实现资源共享又能保证代码和数据的安全和保密及任务的隔离；支持虚拟8086方式，便于执行8086程序。

四。保护模式下的地址转换

通过采用段地址加偏移量的方式，80386支持的虚拟地址空间可达64T字节。但由于实际物理内存的大小可能会远 小于虚拟地址空间，所以实际上虚拟地址中只有部分才可以真正映射到物理存储器。同时由于每一个任务有一个虚拟地址空间。为了避免多个并行任务的多个虚拟地 址空间直接映射到同一个物理地址空间，还需要使用线性地址空间来隔离虚拟地址空间和物理地址空间。线性地址空间由一维的线性地址构成，线性地址空间和物理 地址空间是对等。线性地址也是32位长，寻址空间为4G字节。

在操作系统中，应用程序使用虚拟地址(也即逻辑地址)访问内存，操作系统将虚拟地址转换为线性地址，然后由处理器 将线性地址转换为物理地址，但是在交由处理器转换前，操作系统必须设置处理器所需要的相关描述符表和描述符信息。其实在Linux系统中，这在系统启动时 就设置好了，而且是设置后就不会再改动了。

补充：
从80386开始，cpu有三种工作方式：实模式，保护模式和虚拟8086模式。只有在刚刚启动的时候是real-mode，等到linux操作系统运行 起来以后就运行在保护模式。实模式只能访问地址在1M以下的内存称为常规内存，我们把地址在1M 以上的内存称为扩展内存。在保护模式下，全部32条地址线有效，可寻址高达4G字节的物理地址空间; 扩充的存储器分段管理机制和可选的存储器分页管理机制，不仅为存储器共享和保护提供了硬件支持，而且为实现虚拟存储器提供了硬件支持; 支持多任务，能够快速地进行任务切换和保护任务环境; 4个特权级和完善的特权检查机制，既能实现资源共享又能保证代码和数据的安全和保密及任务的隔离; 支持虚拟8086方式，便于执行8086程序。