實模式與保護模式的定址

2022-06-08 23:03:15 字數 4159 閱讀 1032

暫存器運算元:(存放在cpu中)

mov ax,0ffffh

ax 即為暫存器運算元。

運算元本身存放於暫存器中,在指令中只是給出了幾個位的**來表示它具體存放在那個暫存器中。

記憶體中的資料經過暫存器讀入cpu,進入資料的運算。

記憶體運算元:(存放在記憶體中)

其儲存於某記憶體區域,因此叫記憶體運算元。

mydata dw 1234h 或 mydata db 12h等

上述中mydata這樣的變數

xx db 0ffh,0

mov bx, offset xx //用offset運算子計算出xx單元的偏移值

mov ax,[bx]

上述中[bx]就叫做非變數名直接定址的記憶體運算元

最早期的8086 cpu只有一種工作方式,那就是實模式,而且資料匯流排為16位,位址匯流排為20位,實模式下所有暫存器都是16位。

而從80286開始就有了保護模式,從80386開始cpu資料匯流排和位址匯流排均為32位,而且暫存器都是32位。

但80386以及現在的奔騰,酷睿等等cpu為了向前相容都保留了實模式,現代作業系統在剛加電時首先執行在實模式下,然後再切換到保護模式下執行。

1.實模式定址方式

8086cpu資料匯流排為16位,也就是一次最多能取2 ^ 16 = 64kb資料,這個資料也解釋了實模式下為什麼每個段最大只有64kb。

但其位址匯流排為20位,這樣它能定址的能力其實是2 ^ 20 = 1mb,這也就是實模式下cpu的最大定址能力。那即然它有1mb定址能力,那怎麼用16位的段暫存器表示呢?

這就引出了分段的概念,8086cpu將1mb儲存空間分成許多邏輯段,每個段最大限長為64kb(但不一定就是64kb)。 這樣每個儲存單元就可以用「段基位址+段內偏移位址」表示。

段暫存器是因為對記憶體的分段管理而設定的。 計算機需要對記憶體分段,以分配給不同的程式使用(類似於硬碟分頁)。

段暫存器含有段值,為訪問儲存器形成實體地址時,處理器引用相應的某個段暫存器並將其值乘以16,形成20位的段基位址

因此,段基位址由16 位段暫存器值左移4位表達,段內偏移表示相對於某個段起始位置的偏移量 。

2.保護模式定址方式

段暫存器不再儲存段基址,而是儲存段選擇子,不再需要段暫存器左移加偏移。真正的段基址存在描述符快取記憶體中。

在保護方式下,為了訪問儲存器形成線性位址時,處理器要使用選擇子所指定的描述符中的基位址等資訊。為了避免在每次儲存器訪問時,都要訪問描述符表而獲得對應的段描述符,從80286開始每個段暫存器都配有乙個高速緩衝暫存器,稱之為段描述符高速緩衝暫存器或描述符投影暫存器,對程式設計師而言它是不可見的。每當把乙個選擇子裝入到某個段暫存器時,處理器自動從描述符表中取出相應的描述符,把描述符中的資訊儲存到對應的高速緩衝暫存器中。此後對該段訪問時,處理器都使用對應高速緩衝暫存器中的描述符資訊,而不用再從描述符表中取描述符。

這種方式下,每個段暫存器一共96位,分為兩部分:

可見的選擇子用來找到gdt/ldt表的乙個段描述符,用這個段描述符填充這80位不可見部分。

下圖為段選擇符結構,段選擇符為16位,它不直接指向段,而是通過指向的段描述符,段描述符再定義段的資訊。

其中ti用來指明全域性描述符表gdt還是區域性描述符表ldt,rpl表示請求特權級,索引值為13位。

儲存管理部件把主存(物理儲存器)和輔存(磁碟)看作是乙個整體,即虛擬儲存器。486允許虛擬儲存器容量最大為246=64t,即程式設計師可在此位址範圍內程式設計,程式可大大超過物理空間。

下面再來看段描述符結構,段描述符表中的每一項為乙個段描述符,每一項為8位元組,其結構如下圖所示。

從圖中可知,段選擇符指向的段描述符裡有三個部分基位址資訊,這三部分組成乙個32位位址就決定了段基位址位置,此位址再加上段內偏移最終確定線性位址位置。

注:如果不分頁的話,線性位址就是實體地址;

如果分頁的話,則由分頁部件把線性位址轉換為

實體地址。

實模式:儲存空間僅分段,而不分頁;

保護模式:儲存空間先分段,再分頁。

邏輯位址是cpu所生成的位址 ,指的是機器語言指令中,用來指定乙個運算元或者是一條指令的位址。

**邏輯位址其實是邏輯上的位址,實模式下由「段基位址+段內偏移」組成;保護模式下由「段選擇符+段內偏移」組成。邏輯位址經分段機制後就成線性位址。 **

如指令:

1.直接定址

mov bx, ds:[1234h] //表示從ds資料段偏移位址為1234h的單元取數——>bx

假設(ds)=5000h 可計算出

線性位址為16d×(ds)+1234h=16d×5000h+1234h=50000h+1234h=51234h 。

命令的最後結果就是把線性位址為51234h的儲存單元中的運算元據放入bx中

2.間接定址

格式:段暫存器:[間址暫存器] / [間址暫存器]

注意:可省略段暫存器是因為會到預設約定的段暫存器中取內容資料

例:mov ds,資料段段基址

mov bx,buf單元的偏移位址

mov al,ds:[bx]

等價於:mov al,[bx]

間接暫存器和約定訪問的邏輯段如下圖所示:

在我們進行程式開發的時候,一般情況下,是不需要管理記憶體的,也不需要操心記憶體夠不夠用,其實,這就是分頁機制給我們帶來的好處。它是實現虛擬儲存的關鍵,位於線性位址與實體地址之間,在使用這種記憶體分頁管理方法時,每個執行中的程序(任務)可以使用比實際記憶體容量大得多的連續位址空間。而且當系統記憶體實際上被分成很多凌亂的塊時,它可以建立乙個大而連續的記憶體空間的映象,好讓程式不用操心和管理這些分散的記憶體塊。分頁機制增強了分段機制的效能。頁位址變換是建立在段變換基礎之上的。因為,段管理機制對於intel處理器來說是最基本的,任何時候都無法關閉。所以即使啟用了頁管理功能,分段機制依然是起作用的,段部件也依然工作。

為什麼需要分頁記憶體管理?

因為有以下優點:

不會產生外部碎片化(空間碎片化的根源就是每個程式的大小不一樣,這樣在空間分配時不存在一致性。解決的辦法自然是將空間按照某種規定的大小進行分配。將虛擬記憶體和物理記憶體都分成大小一樣的部分,我們稱之為「頁」。),乙個程序占用的記憶體空間可以不是連續的,

乙個程序的虛擬頁面在不需要時,可以存放在磁碟上,不需要全部同時載入到記憶體上。

可以共享小的位址,即頁面共享。只要給相應的頁表裡面做乙個相應的記錄便可。

在二級分頁系統的機制下:

32位的虛擬位址中,高10位(22-31)用來在頁目錄表中定位乙個頁目錄表項(pde),pde中有頁表的實體地址。找到頁表後,中間10位(12-21)則用來在頁表中定位乙個頁表項(pte),pte中有分配的物理頁位址。餘下低12位則用於頁內偏移量。

依據以下步驟進行轉換:

cr3暫存器中取出程序的頁目錄位址(作業系統負責在排程程序的時候,把這個位址裝入對應暫存器);

根據線性位址前十位,在陣列中,找到對應的索引項,因為引入了二級管理模式,頁目錄中的項,不再是頁的位址,而是乙個頁表的位址。(又引入了乙個陣列),頁的位址被放到頁表中去了。

根據線性位址的中間十位,在頁表(也是陣列)中找到頁的起始位址;

將頁的起始位址與線性位址中最後12位相加,得到最終我們想要的實體地址;

實模式與保護模式詳解三 定址方式

尋找運算元實體地址的方式叫定址方式 運算元在指令中 指令的運算元部分就是運算元本身 也叫立即數 運算元存放在cpu暫存器中 指令的運算元部分是暫存器的編碼 也叫暫存器運算元 運算元存放在記憶體中 指令的運算元部分包含運算元所在的記憶體位址 也叫儲存器運算元 立即數定址 e.g.mov al,10h ...

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