Intel 80386的保护模式

1. 实地址模式

 

当CPU通电或RESET时，cr0的PE位置0, 进入实地址模式。这里不在赘述。

 

2. 保护模式

 

80386提供分段和分页两种存储管理模式

 

● 分段管理的特点：对存储空间的逻辑划分，优点：对模块化(结构化)程序设计方式提供了很好的支持； 缺点：① 段长可变不固定, 管理更复杂、② 空间碎片较多、③ 访问字节数 ∕传输字节 可能很小

 

● 分页管理的特点：对存储空间的物理划分，优点：① 页面长度固定，管理机构简单、② 访问字节数/传输字节通常更大； 缺点：① 一个页面内的程序或数据可能不具有完整意义, 不利于结构化程序设计、② 存在“内零头”（内部碎片）

 

硬件上支持两种存储管理方式, 吸收两种模式的优点, 为不同的操作系统提供了更多支持。

 

（1）分段管理

 

80386的数据代码段描述子的格式：

 

G：粒度位： 0：段长以字节为单位；1：段长以页面为单位

 

访问权字节：P(1)、DPL(2)、S(1)、E(1)、ED/C(1)、W/R(1)、A(1)共8位，与80286相同。E：0 (数据段, ED有效)；1 (代码段, C有效)；ED：1：段向上生长；0：段向下生长。且W/R为0 数据段不能写；1 数据段可以写。C：1: 一致性代码段(可不同特权级共享),当CPL≥DPL时,代码段只能执行；0: 非一致性代码段, 要求访问和被访问代码段特权级相同。且W/R为0 数据段不能写；1 数据段可以写。

 

（2） 分页管理

 

CR0寄存器中的PG位=0，不允许分页，经分段部件出来的地址(即线性地址=物理地址)；

 

如果PG=1，则允许分页，经分段部件出来的线性地址仍为虚地址，必须经分页部件转换成物理地址。

 

[1] 分页的寻址过程

 

从虚地址到实地址的转换过程。目标：根据线性地址, 得到物理页面基地址以及该页面内的偏移量。 于是，基于简单查表的转换机构的不可行性。

 

所以，我们建立二级查表机制：

 

◆ 第一级表：称为页目录, 共1024项, 称为页目录项。每一项用来指示一个二级表(的基地址)；

 

◆ 第二级表：称为页表, 共1024项, 称为页表项。每一项用来指示一个页面地基地址。

 

由此可得：二级表共可以指示1024×1024个页面的基地址, 即1M个页面的基地址。

 

80386中，页目录只有一个，大小为4K，常驻内存；页表1024个，不常驻内存。二级表的地址转换过程：将虚拟地址的高20位分成两部分, 分别用于指示两种不同表的表项(作为表内的偏移量)。 如下图所示：

 

（3）页目录项和页表项的组成

 

● 页目录项

● 页表项

1M个页，每个页面的长度4K。实际访问时基地址单位量的增/减跨越4K空间，因此，前20位仅表示A31～A12，低12位自动补0。

CR3寄存器所提供的页目录基地址也只给了20位基地址，用于查找常蛀内存的页目录使用。

 

控制位：

 

D 修改位：页目录项的D位无意义；页表项D位为1表项所对应的页面在内存中已被修改。在换页时, 需要将内存中的这个页面先写回磁盘。页表项D位为1表示未作修改换页时不必写回磁盘。

 A 访问位：页目录项A位为1则对应的页表已被访问过、为0则对应的页表未被访问过（操作系统可用该位并结合时钟对页表实施LRU淘汰算法）；页表项A位为1表示对应的页面已被访问过、为0表示对应的页面未被访问过（操作系统可用该位并结合时钟对页面实施LRU淘汰算法）。

 

P 存在位为1表示对应的页表或页面在内存空间；为0表示对应的页表或页面不在内存空间。

 

U/S R/W 与（当前）程序特权级 CPL 的配合使用：

 

（4） TLB表(Translation Lookaside Buffer, 快表 )

 

针对页地址转换的Cache，工作原理：

 

TLB表的结构  — TLB表的每一项组成：

 

 

32个表项构成一个4路8组的矩阵

 

 

转换过程描述：

 

用线性地址高20位的低3位(D14D13D12)经译码选中某一组(比如5组)；用高17位与4路的5组(有4个5组)中所含的线性地址的高17位同时匹配(用比较电路可以实现), 哪一路匹配, 就选中那一路的5组,被选中的组送出物理基地址并与线性地址的低12位(即页内偏移) 形成物理地址

3.80386的I/O及保护

 

(1) 端口寻址

 

端口独立寻址方式

 

低16位地址寻址64K空间(8位端口)

 

2个连续8位端口可组成一个16位端口; 4个连续8位端口可组成一个32位端口

 

（2）寻址方式

 

I/O指令的寻址方式：直接寻址和间接寻址。

 

直接寻址：指令中直接给出以立即数方式的端口地址, 范围是0~255。

 

间接寻址：端口地址由寄存器(DX)来指示, 寻址范围0~65536(64K)。

 

（3）I/O保护

 

当系统工作在保护模式下, I/O操作受到特权级权限的保护。

 

执行I/O指令时，必须在数值上满足：CPL≤IOPL (标志位寄存器)

 

在应用程序中, 通过调用操作系统实现I/O操作, 操作系统具有最高的特权级, 可通过操作系统实现对系统I/O资源的统一管理。