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2012年(68)

2011年(50)

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2012-02-13 08:21:55

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。
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