实模式与保护模式

实模式

早期CPU（如8086）是16位的CPU，寄存器是16位的，数据总线是16位的，也就是说在8086内部，能够一次性处理与传输的数据最长为16位比特，那么它的寻址能力仅为216=64 KB。但是地址总线却是20位的，即其寻址能力为220=1 MB。

为了解决寻址能力不匹配这一问题，引入了地址加法器，以如下公式进行地址的换算：内存地址 = (段地址 << 4) + 段内偏移地址。

由于寄存器为16位，则其中存的段地址/段内偏移地址为16位，段地址向左偏移4位即得20位的地址，再加上段内偏移即可得到内存中实际的物理地址。

这样的寻址方式是很直接的，相当于物理地址直接暴露在程序员面前，程序员可以随意的修改内存各处的内容，有着较大的安全隐患。或许这就是为什么叫做实模式吧。

另外，还有一点值得注意：段地址+段内偏移地址这样的寻址方式对于16位CPU而言是可以“越界”的。对于16位而言，最大地址即为FFFF，因此可取得内存地址：

若想访问到10FFEF，需要21根地址总线，但是实际地址总线仅有20根，内存地址实际最大仅为100000 < 10FFEF，越界了。但是系统并不认为其访问越界而抛出异常，而是将访问大于等于100000的地址均对100000取模，因此此时访问到的就是较小的内存地址了。

再后来，CPU发展到了80286，此时地址总线已有24根，那么10FFEF就是可以访问到的了，但是在实模式下，为了向下兼容，系统表现的行为又应同8086一样，即仿佛“只有20根地址总线”。为了能够自由选择实模式下寻址能力的大小，便出现了A20 Gate。

A20 Gate

A20 Gate是第21根地址总线，它有一个开关，对于实模式而言：

  • 开关打开时，这根地址总线可用，程序员可以访问到100000～10FFEF的地址
  • 开关关闭时，这根地址总线不可用，程序员不可以访问到100000～10FFEF的地址

因此在实模式下要想访问高端内存区，这个开关必须打开。在保护模式下，如果A20关闭，那么系统只能访问奇数兆的内存，即只能访问0～1M、2～3M……，所以在保护模式下，这个开关一般也会打开。

保护模式

在后续更高系列的CPU中，即使A20 Gate被打开，在实模式下所能够访问的内存最大也只能为10FFEF，而内存的寻址能力远不止如此。为了能够访问更大的地址，则必须进入保护模式。

虽然后续一般寄存器和地址总线都有着相同的位数，但系统并没有使用寄存器直接指定内存地址，而是沿用了段地址+段内偏移地址的寻址方式。段值存入段寄存器，而该值作为索引，用于在全局描述符表（GDT）中寻找到对应的一个表项（段描述符），该表项中含有段地址、段大小、访问控制等信息，得到其中的段地址后再加上合法的段内偏移，即可访问到对应的物理地址。

GDT条目结构如下所示：

图源自https://en.wikipedia.org/wiki/Global_Descriptor_Table

综上可知，在保护模式下，物理地址并不是直接暴露在程序员面前了，寻址有了更多的检查步骤，这是属于虚拟内存的范畴了，在此就不再深入。

参考

技术闲谈
计算机系统

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