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😭保护模式

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变化

80386开始，Intel处理器步入32位CPU；80386有32位地址线，其寻址空间为 2^32=4GB ；为保证兼容 性，实模式得以保留，PC启动时CPU工作在实模式（BIOS运行过程中可能会开启保护模式），并由Bootloader迅速完成从实模式向保护模式的切换。

下面是保护模式的一些不同。

  1. 保护模式下的寄存器

    • 通用寄存器(从 16 位扩展为 32 位): EAX，EBX，ECX， EDX，ESI，EDI，EBP，ESP

    • 段寄存器(维持 16 位): CS，DS，SS，ES，FS，GS

    • 状态和控制寄存器(32/64 位): EFLAGS，EIP，CR0，CR1， CR2，CR3

    • 系统地址寄存器: GDTR，IDTR，TR，LDTR

    • 调试与测试用寄存器: DR0，· · · ，DR7，TR0，· · · ，TR7

  2. 寻址方式的变化

    • 在保护模式下，分段机制是利用一个称作段选择子（Selector）的偏移量到全局描述符表中找到需要的段描述符，而这个段描述符中就存放着真正的段的物理首地址，该物理首地址加上偏移量即可得到最后的物理地址。

    • 一般保护模式的寻址可用 0xMMMM:0xNNNNNNNN 表示，其中 0xMMMM 表示段选择子的取值，16 位（其中高 13 位表示其对应的段描述符在全局描述符表中的索引，低 3 位表示权限 等信息），0xNNNNNNNN 表示偏移量的取值，32 位。

    • 段选择子为 CS，DS，SS，ES，FS，GS 这些段寄存器。

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寻址过程

在保护模式下，寻址方式会产生变化。简单来说，程序给出的32位地址不再直接解释为物理地址，而是相对于某一个段的偏移量（offset）。真正的物理地址由下式给出：

 physical address = base address + offset

其中的base address是一个32位的地址，对应某个段的基地址；而offset则是程序给出的32位段内偏移量。基地址存储在段描述符里面，而段描述符需要通过Selector来寻找！

当开启保护模式后，QEMU中运行的程序在访问内存时给出的就不再是简单的32位物理地址了，而是由一个16位的段选择符加上32位的段内偏移量（有效地址）所构成的48位的逻辑地址！

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GDT

全局描述符表（Global Descriptor Table），即GDT，GDT由一个个被称为段描述符的表项组成，表项中定义了段的起始32位物理地址，段的界限，属性等内容；段描述符的结构如下图所示

你可以把段描述符当做一个结构体，这样，段表就相当于一个结构数组。

这里是段描述符每个部分的含义：

  • 每个段描述符为 8 个字节，共 64 位

  • 段基址为第 2，3，4，7 字节，共 32 位

  • 段限长为第 0，1 字节及第 6 字节的低 4 位，共 20 位，表示该段的最大⻓度

  • G代表粒度，说明段限长的单位是什么（4KB或者1B）。当属性 G 为 0 时，20 位段限⻓为实际段的最大⻓度（最大为 1MB）；当属性 G 为 1 时，该 20 位段限⻓左移 12 位后加上 0xFFF 即为实际段的最大⻓度（最大为 4GB）。

  • D/B: 对于不同类型段含义不同

    • 在可执行代码段，该位叫做 D 位，D 为 1 时，使用 32 位地址和 32/8 位操作数，D 为 0 使用 16 位地址和 16/8 位操作数。

    • 在向下扩展的数据段中，该位叫做 B 位，B 为 1 段的上界为 4GB，B 为 0 段的上界为 64KB。

    • 在描述堆栈段的描述符中，该位叫做 B 位，B 为 1 使用 32 位 操作数，堆栈指针用 ESP，B 为 0 使用 16 位操作数，堆栈指针用 SP。

  • AVL：Available and Reserved Bit，通常设为 0。

  • P：存在位，P 为 1 表示段在内存中。

  • DPL：描述符特权级，取值 0-3 共 4 级;0 特权级最高，3 特权级最低，表示访问该段时 CPU 所处于的最低特权级，后续实验会详细讨论。

  • S：描述符类型标志，S 为 1 表示代码段或数据段，S 为 0 表示系统段(TSS，LDT)和门描述符。

  • TYPE：当 S 为 1，TYPE 表示的代码段，数据段的各种属性如下表所示：

TYPE位

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段选择子如何查找段描述符

为进入保护模式，需要在内存中开辟一块空间存放GDT表；80386提供了一个寄存器 GDTR 用来存放GDT 的32位物理基地址以及表长界限；在将GDT设定在内存的某个位置后，可以通过 LDGT 指令将GDT的入 口地址装入此寄存器。

由 GDTR 访问GDT是由段选择子（理解成段选择子里包含数组下标）来完成的；为访问一个段，需将段选择子存储入段寄存器，比如数据段选择子存储入 DS ，代码段选择子存储入 CS ；其数据结构如下

TI位表示该段选择子为全局段还是局部段，RPL表示该段选择子的特权等级，13位Index表示描述符表中的编号（下标）

下图是逻辑地址到物理地址的转换：

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总结地址转换过程

结合虚拟地址、段选择符和段表的相关概念，在分段机制中，将虚拟地址转换成线性地址（此时即为物理地址）的过程可描述如下：

  1. 根据段选择子中的TI位选择GDT或LDT；

  2. 根据段选择子中的index部分到GDT中找到对应位置上的段描述符；

  3. 读取段描述符中的base部分，作为32位段基址，加上32位段内偏移量获取最终的物理地址。

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Reference

本节部分内容摘自《计算机系统基础》PA-3-2的手册。

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