80386虚模式内存管理（1）

   80386通过两种转换把逻辑地址（应用程序所见的地址）转换成物理地址：

1、段转换：把逻辑地址（包括段地址和有效地址）转换成线性地址。

2、页转换：是把线性地址转换成物理地址，这个转换时可选的。

   这些转换对应用程序时不可见的，图1从宏观上面描述了这两种转换：

 
  图1 地址转换概况

1、段转换

    图2详细描述了段转换的情况，在这个转换过程中，CPU用到如下的数据结构：
描述符（Descriptor）
描述符表（Descriptor tables）
选择子（Selector）
段寄存器（Segment registers）

  
图2 段转换

1）段寄存器和选择子

    段寄存器就是指的是CS，DS，SS，ES，FS，GS。在实模式下面段寄存器存放着16位段地址，该段地址加上偏移地址就是物理地址。在虚模式下面，段地址需要查表来得到，段地址存放在描述符表（Descriptor table）中。段寄存器里面存放的是16位选择子（Selector），该选择子是描述附表的索引值，通过选择子就可以找到段地址，然后段地址加上32位的偏移地址就是线性地址（注意不是物理地址，有可能需要页转换）。

     选择子的格式如下：

  
图3 选择子的格式

a) 表类型指示（TI）：位于选择子的第2位。指明该选择子指示的是全局描述表（GDT）还是本地描述表（LDT），设0表示GDT，设1表示LDT。GDT和LDT在描述符表中介绍。
b) 请求权限级别（RPL）：位于选择子的0，1位，表明段访问的优先级，用于CPU的保护机制。
c) 索引值（Index）：位于选择子的高13位，表明需要访问的段在描述附表中的位置。

   在虚拟模式下，段寄存器存放选择子。可以用显示的Mov指令来赋值，也可以用JMP或者Call来给CS赋值。另外如果每次CPU都取得索引值去描述附表中去查询段地址（描述附表存放在内存中）效率会非常低下，为了提高效率。CPU设计了段高速缓存，来降低对内存的访问次数。每个段寄存器分为可见部分和不可见部分，可见部分为16位，程序员可见。不可见部分用来存放描述符内容（段描述信息），该部分对程序员不可见，只对CPU可见。结构如下：

 
图4 段寄存器

   当对可见部分赋值的时候，CPU后台用描述符表中对应的信息初始化不可见部分。以后CPU就通过访问不见部分来访问段，这样可以大大降低内存访问的次数。

2）描述符和描述附表

描述符

    用来描述段的详细信息，其结构如下：

图5 描述表的基本结构

    段描述符由8字节组成，其中包括基地址（Base）和段大小（LIMIT）。
a）基地址：一共32位，表示段基地址。段基地址可以为4G线性空间中任意地址，注意区别于8086，80386基地址不要求16对齐。
b）段大小（LIMIT）：一共20位，来表明段的大小。分两种情况：如果段的粒度为4K，则断大小为LIMIT*4K，段最大为4G字节。如果段的粒度为1字节，则段最大为1M（2^10）字节。粒度由描述符的高字第23位G来指明。
c）粒度（G）：高字第23位，如果设置为1表明粒度为4K，如果设置为0，则表明粒度位1字节。
d）可用位（AVL）：这些为可以为系统软件用，Intel保证这些位不会被利用。
e）提交位（P）：表明该描述符是否已经被提交。如果已经被提交则置为1，否则置为0。如果为0，下图中标为可用的位就可以被系统软件赋值。

图6 提交位为0时，描述符情况

f）描述符权限级别（DPL）：表明描述符访问的权限级别，被CPU用来进行权限访问控制，进行系统保护。
g）描述符类型（S）：如果是系统描述符（LDT，TSS等数据段）则置为1；如果为数据段或者代码段则置为0。
h）类型（TYPE）：根据描述符不同，定义各不相同。有兴趣各位可以参考Intel手册。

描述符表

  描述表就是存放描述符的线性表，表中最多可以存放8K（2^13）个描述符，因为选择子索引值一共13位，所以只能索引到2^13个描述符。

    一共存在两种描述符表，全局描述符表（GDT）和本地描述符表（LDT），以选择子的TI来表明，为哪一个表的选择子。

 
图7 全局描述附表和本地描述符表

    每个系统必须有1个全局描述符表，所有的任务和程序共享全局描述符表。本地描述符表是可选的，系统中可以有一个或者多个LDT，也可以没有。比如设计为每个任务有一个自己的LDT表，也可以让多个任务共享同一个LDT。LDT也是一个段，也会在GDT中定义。

   全局描述符表不是段，但是他存在于线性地址中。全局描述符表的线性地址存放在GDTR寄存器中，该寄存器开机就会被初始化。全局描述符的第一个选项不能用，表用为NULL，可以给段寄存器赋值，一访问就会报异常。

段转换总结

   程序员给段寄存器赋值描述符选择子，CPU通过选择子找到段的基地址，然后加上偏移地址得出线性地址。

(未完待续)