操作系统学习笔记——保护模式——分段机制

以前学习微机原理的时候，接触到的是8086/8088处理器，这些处理器都是16位的，地址线为20位，共可寻址1MB的内存空间，即它们都工作在实模式下。

        1985年，IBM公司引入AT机时，使用的是INTER80286CPU，具有24根地址线，可寻址16MB的地址空间，并且保留了实模式来向下兼容。直到今天的32位/64位的CPU，上电后CPU的初始模式仍然是实模式。

         实模式和保护模式的最大区别，就在于内存的寻址和保护机制。在实模式下，寻址方式为 （段基址）：（段内偏移）来确认要找的内存空间，这种寻址方式比较单纯，段基址左移四位，加上段内偏移值，就得到要寻址的物理空间。而实模式下的寻址方式限制了寻址的空间，同样不能提供完善的保护机制，随着计算机的发展，用户的需求越来越多，大型的程序和多任务的出来要求有更大的寻址空间，这就要求在操作系统运行的过程中，要处理更多的段，保护模式无法提供这样的服务，所以，将各个段集中在一个表中，是有利的。保护模式就是用的这种机制完成分段机制的。

        保护模式分段机制的关键词：段描述符、段描述符表、段选择符。

段描述符

        段描述符包含了对一个段的完整描述，包括段的基址、段的限长和段的属性。段基址指明了段的起始地址，段限长指明了段的长度，两者的结合就定义了一个段的全部空间，段的属性描述了该段的一些相关信息，包括类型（数据段、代码段、系统段）、权限等。每一个段描述符为8个字节，其就是对段的抽象，代表一个段的实体，该数据也可以理解为一个段在操作系统中存在的身份证，每个定义的段都有一个描述符，就相当于每一个人都有一个身份证一样。

段描述符表

         操作系统中会包括很多的段，包括操作系统的代码段、数据段和用户程序的代码段、数据段等，每个段都有一个描述符，但这些描述符不是随便存在于内存中的，操作系统定义了段描述符表，将段描述符进行统一的管理，就是全局描述符表GDT、局部描述符表LDT和中断描述符表IDT。

         段描述符表就是段描述符的一个数组，描述符表没有固定的长度，但最多只有8192个8字节的描述符。随后会介绍。

全局描述符表

         全局描述符表GDT是操作系统维护一个特殊的数据结构，并且有处理器的内存管理硬件来引用。在但处理器系统中只有一个GDT，在多处理器系统中，每一个CPU都要有一个GDT。GDT可用于系统中所有的程序和任务。GDT不能算是严格意义上的段，而是线性地址空间中的一个数据结构。GDT的段限长和段基址要加载到CPU的GDTR中，一般操作系统设置完GDTR后，不会再改变了，用于对内存的寻址。

局部描述符表

         局部描述符表也可以理解为操作系统中特殊的数据结构，但其和GDT有一定的区别。每个任务可以定义一个局部描述符表，存放该任务的代码段、数据段等，LDT中存放的段描述符指向的是该任务的私有空间，但LDT表作为一个段被寻址，要将它的描述符存放在全局描述符中，这个是必须的！LDT的段限长和段基址要存放在CPU的LDTR中，并且在任务切换的时候，这个LDTR的内容会改变。

段选择符

        前面介绍了在保护模式下，8字节的段描述符如何对一个段进行整体的描述，随后介绍了操作系统通过GDT和LDT如何管理描述符，那么我们如何寻址呢？在程序中如何去找我们要访问的段呢？在实模式下，我们通过（段基址）：（段内偏移）进行寻址，在保护模式下，也是类似的，我们用（段选择符）：（段内偏移）。注意，实模式下的段基址和保护模式下的段选择符！！！保护模式下的分段机制确实有些复杂，但在这里，分段机制的寻址上，不要害怕，不要想的太多，让脑子单纯一些，其实也很好理解。只要一点：：保护模式下的分段寻址最关键的，就是比实模式下的分段寻址多了一个查表的步骤，就这么简单！！！第一步：段选择符会和GDTR或LDTR中的数据相结合，找到我们要寻址的段的段描述符，段描述符存放着段的基地址，我们找的就是这个基地址。第二步：将基地址和段内偏移地址相加，就将逻辑地址转换成了线性地址（仅仅当成一个地址，这个地址就是我们要找的，不要多想，否则越想越乱），后面的一步就和实模式的寻址很相近了。下面一个图来说明分段机制如何寻址。

转载自:http://blog.csdn.net/andrew_yau/article/details/7719806

          段选择符是16位的，前位0和位1为请求权限，位2为TABLE INDEX，当TI为0时，该选择符索引GDT，当TI为1，该选择符索引LDT。索引号共13位，故一个GDT可以可以存放2^13个描述符表，即8192个。同样LDT也可以存放8192个描述符表。整个虚拟空间被分成了2^14个段，一半由GDT来映射，作为全局虚拟地址空间（由操作系统和用户任务共享），一半由LDT映射，作为局部虚拟地址空间（用户任务私有自己的空间）。

         这个图完整的描述了保护模式分段寻址。程序中，我们给出的逻辑地址包括16bit的索引号，和32bit的偏移地址。第一步：GDTR（全局描述表寄存器）存放的是GDT的基地址，索引号和GDT相结合（由分段机制的硬件完成），找到我们要访问的段描述符，从段描述符中取出段基址。第二步：这一步就和实模式很类似了，将段描述符中的段基址取出，找到相应段的首地址，偏移量负责段内寻址，即（段基址）：（段内偏移）。