CPU的三种工作模式：实模式、保护模式、长模式

文章目录

**实模式**
**保护模式**
**长模式**
**总结**

实模式

访问内存
实模式也就是说寄存器中存放的地址都是真实地址，比如下面这段程序：

data SEGMENT ;定义一个数据段存放Hello World!hello  DB 'Hello World!$' ;注意要以$结束
data ENDS
code SEGMENT ;定义一个代码段存放程序指令ASSUME CS:CODE,DS:DATA ;告诉汇编程序，DS指向数据段，CS指向代码段
start:MOV AX,data  ;将data段首地址赋值给AX                MOV DS,AX    ;将AX赋值给DS，使DS指向data段LEA DX,hello ;使DX指向hello首地址MOV AH,09h   ;给AH设置参数09H，AH是AX高8位，AL是AX低8位，其它类似INT 21h      ;执行DOS中断输出DS指向的DX指向的字符串helloMOV AX,4C00h ;给AX设置参数4C00hINT 21h      ;调用4C00h号功能，结束程序
code ENDS
END start

寄存器CS、DS中都是存放的真实的指令、数据段地址。在计算hello的内存物理地址时，直接将DX左移4位并与DX相加即可（DX为16位，也就是说段的最大偏移为64KB，最多16段）。在实模式下，我们可以读写任意内存地址，在单任务操作系统（比如DOS）中这样做是没问题的，但在多任务操作系统是很危险的。

实模式下的中断

从上面这张图可以看出，实模式下IDTR寄存器保存了中断向量表的起始地址和长度，中断向量表中保存了代码段的基址（装入CS）和段内偏移（装入IP）。有了中断号，很容易就能完成上下文切换。

保护模式

为什么要有保护模式

其一：8086处理器只有20位地址总线，对应1MB的内存空间地址，寻址通过两个寄存器实现。而80386有32位地址总线，对应4GB内存空间，此时再用16位寄存器的话，最大段长６４KB的限制显得十分突兀，因此保护模式增加了一些32位的寄存器，如下图：

其二：实模式适用于单任务操作系统。对于多任务操作系统，CPU对内存的访问应该受到限制。而保护模式实现了对指令访问权限和资源访问权限的控制。

特权级
保护模式中，CPU实现了特权级，分0-3共4个等级，R0可以访问所有指令或者资源，其他的只能访问相应的子集：

段描述符

段描述符用来记录段的地址、大小信息以及控制权限，结构如下：

段描述符有64位，保存在GDT表中，其中的DPL字段用来控制内存访问权限。
保护模式下访问内存时，首先通过GDTR寄存器获取GDT表的起始地址和大小，然后再与段寄存器中存放的地址相加得到段描述符的地址：

在这里，段寄存器保存的是段选择子，段选择子结构如下：

这个影子寄存器是靠硬件实现的，在ARM架构中才有，x86是没有的。RPL（Request Priviliege Level 请求指令权限），通常情况下CPL（Current Privilege Level 当前指令权限）等于RPL。在访问内存时，只有CPL<=DPL时才能访问。

这里有个小问题：GDT表大小为64K，也就对应16位地址。但是由于段描述符位64位，所以实际上每个段描述符起始地址的低3位都是0，所以在段选择子中，我们用这低3位来记录TI和RPL。

保护模式下的中断

在实模式下，中断向量表中直接存放了段基址和偏移。在保护模式中，为了实现中断权限检查、特权级的转换，在中断向量表中存放中断门描述符，结构如下：

当CPL<=DPL，表示可以进行中断，这是第一步。然后，将CPL与目标段（段选择子指向的段描述符）的DPL对比，如果CPL=DPL，将CPL变为DPL；如果CPL>DPL 除了修改CPL外，还需要进行栈切换。在做完这些之后，CPU把段选择子加载到CS寄存器，段偏移加载到EIP寄存器中。

保护模式下分页—平坦模式

分段模式缺点很多，但是x86架构并不能直接使用分页模型，平坦模式能够使分段模式形同虚设。

平坦模式是这样实现的：从之前段描述符结构那张图中可以看到，段描述符中有一个标识位G，G为0时表示使用分段模式，G为1时表示段的长度粒度为4KB(相当于页面大小为4KB)。也就是说如果G=1，段基址(base)为1，段限长(limit)为1，那么段的实际地址为0x1000 ~ 0x1FFF。

如果我们把所有的段基址都设置为0，段限长设置为0xFFFFF，那么每个段都指向4G的内存空间，分段模式也就形同虚设了。

与实模式最大段长64KB相比，在保护模式下，段描述符中段基址为32位，段限长为20位，也就说是如果G=0的话，段长最大为1MB。

长模式

长模式和保护模式非常相似，只是有了64位处理能力，其他差别不大。长模式下的寄存器：

总结

实模式、保护模式、长模式对应了处理器从 16位单任务->32位多任务->64位的发展历史。另外x86CPU在第一次加电时会自动进入实模式，我们需要通过设置CR0寄存器，并且初始化GDT、GDTR等来切换到保护模式或者长模式。