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保护模式下寻址

2014年02月11日 操作系统 ⁄ 共 2355字 ⁄ 字号 暂无评论 ⁄ 阅读 237 次

实模式下的内存寻址:

让我们首先来回顾实模式下的寻址方式

段首地址×16+偏移量 = 物理地址

为什么要×16?因为在8086CPU中,地址线是20位,但寄存器是16位的,最高寻址64KB,它无法寻址到1M内存。于是,Intel设计了这种寻址方式,先缩小4位成16位放入到段寄存器,用到时候,再将其扩大到20位,这也造成了段的首地址必须是16的倍数的限制。

保护模式下分段机制的内存寻址:

保护模式下 分段机制是利用一个称作段选择符的偏移量,从而到描述符表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,再加上偏移量

一段话,出现了三个新名词:

1、段选择子 2、描述符表   3、段描述符

我们现在可以这样来理解这段话: 有一个结构体类型,它有三个成员变量:段物理首地址 段界限 段属性

内存中,维护一个该结构体类型的是一个数组。而分段机制就是利用一个索引,找到该数组对应的结构体,从而得到段的物理首地址,然后加上偏移量,得到真正的物理地址。

公式:xxxx:yyyyyyyy

其中,xxxx也就是索引,yyyyyyyy是偏移量(因为32位寄存器,所以8个16进制)xxxx存放在段寄存器中。

现在,我们来倒过来分析一下那三个新名词。段描述符,一个结构体,它有三个成员变量:1、段物理首地址   2、段界限   3、段属性

我们再来重温一遍 描述符表,也就是一个数组,什么样的数组呢?是一个段描述符组成的数组。

接下来看看段选择子:段选择子,也就是数组的索引,但这时候的索引不在是高级语言中数组的下标,而是我们将要找的那个段描述符相对于数组首地址(也就是全局描述表的首地址)偏移位置。

就这么简单,如图:

分段机制

分段机制

图中,通过Selector(段选择子)找到存储在Descriptor Table(描述符表)中某个Descriptor(段描述符),该段描述符中存放有该段的物理首地址,所以就可以找到内存中真正的物理段首地址Segment
Offset(偏移量):就是相对该段的偏移量  物理首地址 + 偏移量 就得到了物理地址    本图就是DATA
但这时,心细的朋友就发现了一个GDTR这个家伙还没有提到!

我们来看一下什么是GDTR ? Global Descriptor Table Register(全局描述符表寄存器)但是这个寄存器有什么用呢 ? 大家想一下,段描述符表现在是存放在内存中,那CPU是如何知道它在哪里呢?所以,Intel 公司设计了一个全局描述符表寄存器,专门用来存放段描述符表的首地址,以便找到内存中段描述符表。这时,段描述符表地址被存到GDTR寄存器中了。

好了,分析就到这,我们来看一下正式的定义

当x86 CPU 工作在保护模式时,可以使用全部32根地址线访问4GB的内存,因为80386的所有通用寄存器都是32位的,所以用任何一个通用寄存器来间接寻址,不用分段就可以访问4G空间中任意的内存地址。也就是说我们直接可以用Eip寄存器就可以找到茫茫内存里面所有的值! 但这并不意味着,此时段寄存器就不再有用了[其实 还有部分原因是要与8086兼容] 。实际上,段寄存器更加有用了,虽然再寻址上没有分段的限制了,但在保护模式下,一个地址空间是否可以被写入,可以被多少优先级的代码写入,是不是允许执行等等涉及保护的问题就出来了。[想想吧,单单就是靠eip找到所有内存的值显然不够的,醒醒吧,我们到了80386时代了,我们需要保护模式,要指示出来那些内存段是操作系统核心用的,那些是你打游戏时用的,打游戏时的cpu不能访问到操作系统核心所用的内存段。我们需要分出"级别"来] 。  要解决这些问题,必须对一个地址空间定义一些安全上的属性。段寄存器这时就派上了用场。但是设计属性和保护模式下段的参数,要表示的信息太多了,要用64位长的数据才能表示。我们把着64位的属性数据叫做段描述符,上面说过,它包含3个变量:
段物理首地址、段界限、段属性  80386的段寄存器是16位(注意:通用寄存器在保护模式下都是32位,但段寄存器没有被改变,比如cs还是16位的,16位的段寄存器怎么可能装下一个64位的段描述符)的,无法放下保护模式下64位的段描述符。如何解决这个问题呢? 方法是把所有段的段描述符顺序存放在内存中的指定位置,组成一个段描述符表(Descriptor Table);而段寄存器中的16位用来做索引信息,这时,段寄存器中的信息不再是段地址了,而是段选择子(Selector)。可以通过它在段描述符表中“选择”一个项目已得到段的全部信息。 也就是说我们在另一个地方把段描述符放好,然后通过选择子来找到这个段描述符。

那么段描述符表存放在哪里呢?80386引入了两个新的寄存器来管理段描述符,就是GDTR和LDTR,(LDTR大家先忘记它,随着学习的深入,我们会在以后学习)。

这样,用以下几步来总体体验下保护模式下寻址的机制

1、段寄存器中存放段选择子Selector

2、GDTR中存放着段描述符表的首地址

3、通过选择子根据GDTR中的首地址,就能找到对应的段描述符

4、段描述符中有段的物理首地址,就得到段在内存中的首地址

5、加上偏移量,就找到在这个段中存放的数据的真正物理地址。

注意:

这里面存在着一个问题,是否我们每次寻址都要先去全局描述符表寄存器(GDTR)中,查找到全局描述符表(GDT)的基址,然后再次根据选择子的索引跳转到该描述符所在的位置,然后取得段描述符中的基址,如果这样的话,我们里里外外采访了几次内存,太浪费时间了。实际上段寄存器结构是这样的:(段描述符高速缓冲寄存器

段寄存器结构

这样的好处就是,我们可以直接获取段描述符

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