操作系统保护模式Protected Mode

布满荆棘的人生 2022-08-26 13:19 228阅读 0赞

[http://baike.baidu.com/view/177586.htm][http_baike.baidu.com_view_177586.htm]

保护模式，是一种80286系列和之后的x86兼容[CPU][]操作模式。保护模式有一些新的特色，设计用来增强[多工][Link 1]和系统稳定度，像是 内存保护，[分页][Link 2] 系统，以及硬件支援的 虚拟内存。大部分的现今 x86 [操作系统][Link 3] 都在保护模式下运行，包含 Linux、FreeBSD、以及 [微软][Link 4] Windows 2.0 和之后版本。

保护模式与实模式相对应。在80286以前，CPU只有实时模式，地址总线有20位，而内存地址是16位，也就是最多能够访问2^20=1M的内存空间。在80286及以后，内存地址改为16位或32位，至少可以访问到2^32=4G的内存空间。但为了保证后续的CPU能够运行旧的CPU，只能保持向下兼容。因此，8 0286及以后的CPU首先进入实模式，然后通过切换机制再进入到保护模式。

保护模式与实模式相比，主要是两个差别：一是提供了段间的保护机制，防止程序间胡乱访问地址带来的问题，二是访问的内存空间变大，见前面的描述。

在8086/8088时代，处理器只存在一种操作模式（Operation Mode），当时由于不存在其它操作模式，因此这种模式也没有被命名。自从80286到80386开始，处理器增加了另外两种操作模式——保护模式和 [系统管理模式][Link 5]SMM（System Management Mode），因此，8086/8088的模式被命名为实地址模式RM（Real-address Mode）。

保护模式是处理器的本机模式，在这种模式下，处理器支持所有的指令和所有的体系结构特性，提供最高的性能和兼容性。对于所有的新型 [应用程序][Link 6]和操作系统来说，建议都使用这种模式。为了保证PM的兼容性，处理器允许在受保护的，多任务的环境下执行RM程序。这个特性被称做虚拟8086模式（Virtual -8086 Mode），尽管它并不是一个真正的处理器模式。Virtual-8086模式实际上是一个PM的属性，任何任务都可以使用它。

RM提供了Intel 8086处理器的编程环境，另外有一些扩展（比如切换到PM或SMM的能力）。当主机被Power-up或Reset后，处理器处于RM下。

SMM是一个对所有Intel处理器都统一的标准体系结构特性。出现于Intel386 SL芯片。这个模式为OS实现平台指定的功能（比如 [电源管理][Link 7]或系统安全）提供了一种透明的机制。当外部的SMM interrupt pin（SMI\#）被激活或者从APIC（Advanced Programming Interrupt Controller）收到一个SMI，处理器将进入SMM。在SMM下，当保存当前正在运行程序的整个上下文（Context）时，处理器切换到一个分离的地址空间。然后SMM指定的代码或许被透明的执行。当从SMM返回时，处理器将回到被系统管理中断之前的状态。

由于机器在Power-up或Reset之后，处理器处于RM状态，而对于Intel 80386以及其后的芯片，只有使用PM才能发挥出最大的作用。所以我们就面临着一个从RM切换到PM的问题。

本文不讨论SMM，本节的重点集中于在Booting阶段如何从RM切换到PM，这里不会过多的讨论PM的细节，因为《Intel Architecture Software Developer’s Manual Volume 3: System Programming》中有非常详尽和准确的介绍。

全局描述表（GDT Global Descriptor Table）：在保护模式下，一个重要的必不可少的 [数据结构][Link 8]就是它。

为什么要有GDT？我们首先考虑一下在实时模式下的编程模型：

在实时模式下，我们对一个[内存地址][Link 9]的访问是通过Segment:Offset的方式来进行的，其中Segment是一个段的Base Address，一个Segment的最大长度是64 KB，这是16-bit系统所能表示的最大长度。 而Offset则是相对于此Segment Base Address的[偏移量][Link 10]。Base Address+Offset就是一个内存绝对地址。由此，我们可以看出，一个段具备两个因素：Base Address和Limit（段的最大长度），而对一个内存地址的访问，则是需要指出：使用哪个段？以及相对于这个段Base Address的Offset，这个Offset应该小于此段的Limit。当然对于16-bit系统，Limit不要指定，默认为最大长度64KB，而 16-bit的Offset也永远不可能大于此Limit。我们在实际编程的时候，使用16-bit段寄存器CS（Code Segment），DS（Data Segment），SS（Stack Segment）来指定Segment，CPU将段寄存器中的数值向左偏移4-bit，放到20-bit的地址线上就成为20-bit的Base Address。

到了保护模式，内存的管理模式分为两种，段模式和页模式，其中页模式也是基于段模式的。也就是说，保护模式的内存管理模式事实上是：纯段模式和段页式。进一步说，段模式是必不可少的，而页模式则是可选的——如果使用页模式，则是段页式；否则这是纯段模式。

[http_baike.baidu.com_view_177586.htm]: http://baike.baidu.com/view/177586.htm
[CPU]: http://baike.baidu.com/view/2089.htm
[Link 1]: http://baike.baidu.com/view/560598.htm
[Link 2]: http://baike.baidu.com/view/159980.htm
[Link 3]: http://baike.baidu.com/view/880.htm
[Link 4]: http://baike.baidu.com/view/2353.htm
[Link 5]: http://baike.baidu.com/view/3560325.htm
[Link 6]: http://baike.baidu.com/view/330120.htm
[Link 7]: http://baike.baidu.com/view/65704.htm
[Link 8]: http://baike.baidu.com/view/9900.htm
[Link 9]: http://baike.baidu.com/view/404417.htm
[Link 10]: http://baike.baidu.com/view/1254177.htm