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保护模式

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保护模式(英语:Protected Mode,或有时简写为 pmode)是一种80286系列和之后的x86兼容CPU的运行模式。保护模式有一些新的特性,如存储器保护标签页系统以及硬件支持的虚拟内存,能够增强多任务处理和系统稳定度。现今大部分的x86操作系统都在保护模式下运行,包含LinuxFreeBSD、以及微软Windows 2.0和之后版本。

另外一种286和其之后CPU的运行模式是实模式,这是一种向前兼容且关闭了保护模式这些特性的CPU运行模式,用来让新的芯片可以运行旧的软件。所有的x86 CPU都是在实模式下引导,来确保传统操作系统的兼容性。为了使用保护模式的特性,要由程序主动地切换到保护模式。在现今的电脑上,这种切换通常是操作系统在引导时候完成的第一件任务。当CPU在保护模式下运行时,可以使用虚拟86模式来运行为实模式设计的代码。

尽管用软件的方式也有某些可能在实模式的系统下使用多任务,但保护模式下存储器保护的特色,可以避免有问题的程序破坏其他任务或是操作系统核心所拥有的存储器。保护模式也有中断正在运行程序的硬件支持,可以实现先占式多任务

大部分可以使用保护模式的CPU也拥有32位寄存器的特性(例如80386系列和其后任何的芯片),导入了融合保护模式而成为32位处理的概念。80286芯片虽有支持保护模式,但是仍然只有16位寄存器。Windows 2.0和之后版本中的保护模式增强称为"386增强模式",是因为他们除了保护模式外,还需要32位的寄存器,并且无法在286上面运行(即使286支持保护模式)。

即使在32位芯片上已经打开了保护模式,但是为了仿照IBM XT系统存储器连续的设计特性,1 MiB以上的存储器并无法访问。这种限制可以由打开A20总线来回避。

在保护模式下,前面32个中断都是保留给CPU异常处理用。例如,中断0D(十进制13)是一般保护模式错误,而中断00是除以零

286的保护模式寻址[编辑]

286CPU在保护模式下的寻址

286出现之前,x86的地址总线为20位,使用16位的段基址(段首地址的高16位)与16位的段内偏移量,段基址左移4位后与段内偏移量相加形成20位的物理地址,来对220(即1MiB)的地址空间寻址。1982年问世的286 CPU首次使用了保护模式寻址。286 CPU的地址总线为24位,寻址空间为224(即16 MiB)。而286 CPU的寄存器仍为16位。寻址时,段寄存器保存的数据不再是内存物理地址,而是称作选择器(selector),其中高13位指向描述符表(descriptor table)的条目;最低的两位数据定义了请求的权限,从0到3,0是最高权限,3是最低权限;剩下的一位表示是使用全局描述符表(GDT)还是局部描述符表英语Local Descriptor Table(LDT)。描述符表的条目为8字节长,包括24位长的段起始物理地址、16位长的段长(因此段的长度范围从1 B到216 B,即不超过64 KiB)。每次内存操作所要访问的物理地址为描述符表相应条目给出的24位段起始物理地址再加上16位的偏移量。可见,286保护模式下的应用程序能访问的内存线性地址空间仅为64 KB,非常有限。所以程序员编写使用大内存的应用程序时还必须使用远指针、近指针,相当繁琐。这影响了286保护模式的推广使用。

从386开始的IA32保护模式寻址[编辑]

IA32 CPU保护模式下的4KiB分页寻址
IA32 CPU保护模式下的4 MiB分页寻址
应用程序的虚拟线性地址空间映射到分页管理的物理地址空间

1985年问世的80386开启了32位CPU时代。地址总线为32比特,寻址空间为232(即4 GiB)。386 CPU保护模式下有两种内存寻址方式:

  • 可以分页寻址,这是此后的x86上的Windows操作系统与Linux操作系统最广泛采用的方法;
  • 也可以非分页寻址而采取与286保护模式兼容的寻址方式,采用32位的选择器(selector)寄存器与32位的偏移量寄存器寻址,这时描述符表的条目中保存的段起始物理地址为32位,而段长的数据宽度为20位,但可以设置段长的粒度为1 B或4 KiB,所以段的最大长度可以是1 MiB或者4 GiB。

386 CPU开创的分页内存管理,比286保护模式寻址具有更多的优点:

  • 操作系统可以控制与限制进程对页面的访问权限
  • 为应用程序创造一个连续的、独立的、线性的虚拟内存空间
  • 页面可以移出主存,存入更慢速的次级外存硬盘。这使得操作系统可以使用比物理内存更大的存储空间。

IA32的CPU通过两级:页目(page directory)与页表(page table)实现4 KiB的分页管理,这是最常见的IA32分页寻址方式。CR3寄存器保存了进程的页目的物理地址。页目与页表中每4字节为一个单元,是一个32位的值,当页目项第0位为1时,表明页表已经在物理内存中;当页表项第0位为1时,表明访问的数据已经在内存中。另外,当页目项第7位为1时,表明这是一个4M的页面,这值已经是物理页地址,用虚拟地址的低22位作为偏移量。

从应用程序角度,不再使用段地址寄存器(或称选择器),仅使用32位的偏移量,为232(即4 GiB)的连续线性寻址空间。

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