保护模式的分段

一、分段的背景

在8086处理器诞生之前，内存寻址方式就是直接访问物理地址。8086处理器为了寻址1M的内存空间，把地址总线扩展到了20位。但是，一个尴尬的问题出现了，ALU的宽度只有16位，也就是说，ALU不能计算20位的地址。为了解决这个问题，分段机制被引入，登上了历史舞台。 为了支持分段，8086处理器设置了四个段寄存器：CS, DS, SS, ES.每个段寄存器都是16位的，同时访问内存的指令中的地址也是16位的。但是，在送入地址总线之前，CPU先把它与某个段寄存器内的值相加。注意，不是直接相加，而是由16位段寄存器的内容乘以16（10H）当做段基址，加上16位偏移地址形成20位的物理地址

二、内存寻址的硬件MMU

在 8086 的实模式下，把某一段寄存器左移4位，然后与地址ADDR相加后被直接送到内存总线上，这个相加后的地址就是内存单元的物理地址，而程序中的这个地址就叫逻辑地址（或叫虚地址）。在IA32的保护模式下，这个逻辑地址不是被直接送到内存总线而是被送到内存管理单元（MMU）。MMU由一个或一组芯片组成，其功能是把逻辑地址映射为物理地址，即进行地址转换，如图所示。

从80386之后的处理器，架构基本相似，统称为IA32（32 Bit Intel Architecture）。

三、IA32的三种地址

• 逻辑地址: 机器语言指令仍用这种地址指定一个操作数的地址或一条指令的地址。 这种寻址方式在Intel的分段结构中表现得尤为具体，它使得MS-DOS或Windows程序员把程序分为若干段。每个逻辑地址都由一个段和偏移量组成。
• 线性地址： 线性地址是一个32位的无符号整数，可以表达高达2^32（4GB）的地址。通常用16进制表示线性地址，其取值范围为0x00000000～0xffffffff。
• 物理地址： 也就是内存单元的实际地址，用于芯片级内存单元寻址。 物理地址也由32位无符号整数表示。

四、MMU地址转化过程

MMU是一种硬件电路，它包含两个部件，一个是分段部件，一个是分页部件，在此，我们把它们分别叫做分段机制和分页机制，以利于从逻辑的角度来理解硬件的实现机制。分段机制把一个逻辑地址转换为线性地址；接着，分页机制把一个线性地址转换为物理地址。

五、分段机制的实现

段是虚拟地址空间的基本单位，分段机制必须把虚拟地址空间的一个地址转换为线性地址空间的一个线性地址。

为了实现这种映射，仅仅用段寄存器来确定一个基地址是不够的，至少还得描述段的长度，并且还需要段的一些其他信息，比如访问权之类。所以，这里需要的是一个数据结构，这个结构包括三个方面的内容：

• 段的基地址(Base Address)：在线性地址空间中段的起始地址。
• 段的界限(Limit)：在虚拟地址空间中，段内可以使用的最大偏移量。
• 段的保护属性(Attribute)：表示段的特性。例如，该段是否可被读出或写入，或者该段是否作为一个程序来执行，以及段的特权级等等。 上面的数据结构我们称为段描述符，多个段描述符组成的表称为段描述符表

上面的数据结构我们称为段描述符，多个段描述符组成的表称为段描述符表

六、段描述符

所谓描述符(Descriptor)，就是描述段的属性的一个8字节存储单元。在实模式下，段的属性不外乎是代码段、堆栈段、数据段、段的起始地址、段的长度等等，而在保护模式下则复杂一些。IA32将它们结合在一起用一个8字节的数表示，称为描述符 。

从图可以看出，一个段描述符指出了段的32位基地址和20位段界限(即段长)。这里我们只关注基地址和段界限，其他的属性略过。

七、段描述符表

各种各样的用户描述符和系统描述符，都放在对应的全局描述符表、局部描述符表和中断描述符表中。描述符表(即段表)定义了IA32系统的所有段的情况。所有的描述符表本身都占据一个字节为8的倍数的存储器空间，空间大小在8个字节(至少含一个描述符)到64K字节(至多含8K)个描述符之间。

• 全局描述符表(GDT) 全局描述符表GDT(Global Descriptor Table)，除了任务门，中断门和陷阱门描述符外，包含着系统中所有任务都共用的那些段的描述符。 它的第一个8字节位置没有使用。
• 中断描述符表IDT(Interrupt Descriptor Table) 中断描述符表IDT(Interrupt Descriptor Table)，包含256个门描述符。IDT中只能包含任务门、中断门和陷阱门描述符，虽然IDT表最长也可以为64K字节，但只能存取2K字节以内的描述符，即256个描述符，这个数字是为了和8086保持兼容。
• 局部描述符表(LDT) 局部描述符表LDT(local Descriptor Table)，包含了与一个给定任务有关的描述符，每个任务各自有一个的LDT。 有了LDT，就可以使给定任务的代码、 数据与别的任务相隔离。每一个任务的局部描述符表LDT本身也用一个描述符来表示，称为LDT描述符，它包含了有关局部描述符表的信息，被放在全局描述符表GDT中。

逻辑地址到线性地址的变换过程

如果没有开启分页，那么处理器直接把线性地址映射到物理地址，即线性地址被送到处理器地址总线上；如果对线性地址空间进行了分页处理，那么就会使用二级地址转换把线性地址转换成物理地址。

下面是虚拟地址到物理地址的变换过程

八、总结

IA32的内存寻址机制完成从逻辑地址–线性地址–物理地址的转换。其中，逻辑地址的段寄存器中的值提供段描述符，然后从段描述符中得到段基址和段界限，最后加上逻辑地址的偏移量，就得到了线性地址。线性地址通过分页机制得到物理地址。

分段模式的物理地址形成：定位段寄存器->找到段选择子->找到段->定位段的base地址-〉base地址加上指令值即offset-〉得到物理地址

所以，我们要明确，分段机制是IA32提供的寻址方式，这是硬件层面的。就是说，不管你是windows还是linux，只要使用IA32的CPU访问内存，都要经过MMU的转换流程才能得到物理地址，也就是说必须经过逻辑地址–线性地址–物理地址的转换。

参考：

https://cloud.tencent.com/developer/article/1172683

https://blog.csdn.net/qq_37924084/article/details/78360003