操作系统实践之路——三、硬件（1.CPU工作模式）

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文章目录

一、实模式
二、保护模式
三、长模式
4总结
参考资料

前言

今天来学习 CPU 的工作模式，硬件中最重要的就是 CPU，它就是执行程序的核心部件。按照 CPU 功能升级迭代的顺序，CPU 的工作模式有实模式、保护模式、长模式，这几种工作模式下 CPU 执行程序的方式截然不同，下面来讨论这几种工作模式。

一、实模式

实模式是最简单，也是最原始的一种工作模式。实模式实模式又称实地址模式，实，即真实，这个真实分为两个方面，一个方面是运行真实的指令，对指令的动作不作区分，直接执行指令的真实功能，另一方面是发往内存的地址是真实的，对任何地址不加限制地发往内存。

1.1实模式寄存器

由于CPU是根据指令完成相应的功能，举个例子：ADD AX,CX；这条指令完成加法操作，AX、CX 为 ADD 指令的操作数，可以理解为 ADD 函数的两个参数，其功能就是把 AX、CX 中的数据相加。指令的操作数，可以是寄存器、内存地址、常数，其实通常情况下是寄存器，AX、CX 就是 x86 CPU 中的寄存器。

看看 x86 CPU 在实模式下的寄存器。表中每个寄存器都是 16 位的。
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1.2实模式下访问内存

我们都知道，数据和指令都是存放在内存中，所以我们要访问内存，而访问内存靠的是地址值。

那这个地址值是如何计算呢？如下图所示：

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由上图发现所有的内存地址都是由段寄存器左移 4 位，再加上一个通用寄存器中的值或者常数形成地址，然后由这个地址去访问内存。这就是大名鼎鼎的分段内存管理模型。

代码段地址+左移4位+ IP = 取指
数据段+左移4位+ 通用寄存器值 = 数据地址
栈段SS+左移4位 + SP = 栈地址

注意：代码段是由 CS 和 IP 确定的，而栈段是由 SS 和 SP 段确定的！！

1.3实模式中断

中断就是中止执行当前的程序，转到另一个特定的地址上，去运行特定的代码。那么实模式下它的中断是如何产生的呢？

第一种情况，中断控制器给 CPU 发送了一个电子信号，CPU 会对这个信号作出应答。随后中断控制器会将中断号发送给 CPU，这是硬件中断。

第二种情况， CPU 执行了 INT 指令，这个指令后面会跟随一个常数，这个常数即是软中断号。这种情况是软件中断。

为了实现中断，就需要在内存中放一个中断向量表，这个表的地址和长度由 CPU 的特定寄存器 IDTR 指向。实模式下，表中的一个条目由代码段地址和段内偏移组成，如下图所示。

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有了中断号后，CPU 就能根据 IDTR 寄存器中的信息，计算出中断向量中的条目，进而装载 CS（装入代码段基地址）、IP（装入代码段内偏移）寄存器，最终响应中断。
即：中断号+ IDTR 寄存器(指向中断表的地址和长度) —> 根据中断号，找到中断表中的对应条目 —> 解析出中断函数基地址填充CS、中断函数偏移填充IP —> 响应中断。

二、保护模式

随着软件的规模不断增加，需要更高的计算量和更大的内存容量。而内存一大，首先就要解决的问题就是寻址问题。原本实模式下的16位寄存器最大只能表示2的16次方个地址，所以CPU的寄存器和运算单位都要扩展成32位的。

虽然CPU内部器件的位数解决了计算和寻址的问题，但依旧是没有解决实模式场景下的问题：①CPU对任何指令不加区分的执行；②CPU对访问内存的地址不加限制。

基于以上的原因，CPU实现了保护模式。

保护模式包含特权级，对指令及其访问的资源进行控制，对内存段与段之间的访问进行严格检查，没有权限的绝不放行，对中断的响应也要进行严格的权限检查，扩展了 CPU 寄存器位宽，使之能够寻址 32 位的内存地址空间和处理 32 位的数据，从而 CPU 的性能大大提高。

2.1保护模式寄存器

保护模式相比于实模式，增加了一些控制寄存器和段寄存器，扩展通用寄存器的位宽，所有的通用寄存器都是 32 位的，还可以单独使用低 16 位，这个低 16 位又可以拆分成两个 8 位寄存器，如下表所示：

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2.2保护模式特权级

为了区分哪些指令和哪些资源可以被访问，CPU实现了特权级。

下图中，从外到内，既能体现权力的大小，又能体现各特权级对资源控制访问的多少，还能体现各特权级之间的包含关系。R0~R3，每个特权级执行的指令的数量不用。R0 拥有最大权力，可以访问低特权级的资源，反之则不行。

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2.3保护模式段描述符

由于CPU的扩展导致了 32 位的段基地址和段内偏移，还有一些其它信息，所以 16 位的段寄存器肯定放不下。放不下就要找内存借空间，然后把描述一个段的信息封装成特定格式的段描述符，放在内存中，其格式如下。一个段描述符有 64 位 8 字节数据，里面包含了段基地址、段长度、段权限、段类型（可以是系统段、代码段、数据段）、段是否可读写，可执行等。