本文大纲

  1. 关于80x86系列
  2. 8086 16-bit 寄存器
  3. 80386 32-bit 寄存器
  4. 实模式
  5. 16-bit保护模式
  6. 32-bit保护模式

如何看懂boot.S以及boot.c文件，需要做一些预备

关于80x86系列

  • 8088，8086:早期PC的CPU使用，仅支持1M空间，仅在实模式（real mode）下工作。在这种模式下，程序可以访问任何内存，即使该内存是其他程序的。同时，内存被分成段，每个段不能超多64K。

  • 80286:AT系列CPU使用。新特性是16位保护模式，在这个模式下可扩至16M，并且保护程序获取其他程序的内存。段依旧不能超过64K。

  • 80386:提升了8028。拓展了许多寄存器能够支持32位，增加了两个新的16位寄存器FS和GS。新增加了32位的保护模式。在这种模式下，能获取4G空间。与此同时，段也能访问到4G。

8086 16-bit 寄存器

  • 4个16位通用寄存器一般用于数据转移和算数指令：AX，BX，CX，DX。 每个寄存器有低8位与高8位，例如AX：AH AL

  • 2个16位索引寄存器，它们一般当作指针，和通用寄存器的目标类似，但是不能分为8位寄存器，它们是SI和DI。

  • 16位BP和SP寄存器用来指向在机器语言栈中的数据，之后会讨论到。

  • 4个段寄存器代表程序的不同部分的内存：CS代表代码段，DS代表数据段，SS代表栈段，ES代表附加段。

  • 指令指针寄存器IP与CS寄存器配合使用，追踪下一条CPU执行段指令的地址。

  • 标志寄存器，即FLAGS寄存器储存了之前指令结果的重要信息。

图：8086寄存器

80386 32-bit 寄存器

在8086基础的拓展，例如将16位的AX拓展为32位。为了向后兼容，AX依旧是16位寄存器，EAX是拓展32位寄存器。AX是EAX的低16位，就像AL是AX的低8位一样。

段寄存器依旧是16位，并且增加了两个新的段寄存器：FS和GS。它们和ES一样，就是额外的寄存器（备胎）。

实模式

在实模式下，内存只有1M大小，也就是2^20字节。对应的有效地址就是从00000到FFFFF。但是这么多的地址需要20位的数才能表示。但是对于8086的16位寄存器无法表示完整。Intel便通过两个16位的数才得到实模式下的地址。那么具体怎么得到呢，前16位的值叫做selector，selector值必须储存在段寄存器中。后16位的值叫做offset。这样物理地址就可以用一个32-bit的selector：offset来表示出来。通过一下的公式：

16*selector+offset

在16进制中乘以一个16很简单，就像在10进制中乘一个10一样，仅需要在selector后面加一个0，然后再将offset的值加上即可得到物理地址，例如

047C：0048

等于

047C0+0048，即04808。

selector是16字节的数（也就是它有 24个地址，而每个地址有1字节内存）。当然，实段地址有一些不好的地方：

一个单一的select寄存器只能检索到64K大小，上界便是16-bit的offset。那如果有一个程序，其要运行的程序有大于64K的大小，那么这和问题如何解决？

  • 即将程序分为小于64K大小的sections中，当执行从一个段到另一个段时，CS的值必须改变。在大量数据以及DS寄存器下也会发生类似的问题。

在内存中的每个字节并不一定只有唯一的段地址。物理地址04808有可能是047C:0048, 047D:0038, 047E:0028或者047B:0058。这样段地址的比较就非常复杂。

16-bit保护模式

在80286的16位保护模式下，selector值与实模式下的值的解释是完全不一样的。 在实模式下，selector值为paragraph memory（16字节）。 在保护模式下，selector是到描述表（descriptor table）的一个索引值（index）。 两种模式下，程序都分为段： 在实模式下，这些段在物理内存的固定地址上，selector就是段开头的paragraph数， 在保护模式下，段不再在物理内存段固定地址，事实上，它们不一定要在内存中了。

在保护模式下，运用了一个叫做虚拟内存的技术一个虚拟内存的基本想法是，只要保证程序此时在用的数据和代码在内存中。其他的数据和代码可以暂时储存在磁盘上知道它们需要再次被使用。 在16-bit保护模式下，段在内存和磁盘之间移动： 当段从磁盘回到内存时，很有可能该段会被放在和它移动到磁盘之前的一个不同的地方。而这就时操作系统所做的。

保护模式下，每个段在描述表中分配了一个入口。这个入口上有系统想要知道该段段所有信息：它是否还在内存；如果在，那么在哪里；允许获取（例如只读）。那么，该段入口的索引值就是存储在段寄存器里的selector值。

不好的地方就是，offset依旧时16位的。因此段大小依旧限制在64K。

32-bit保护模式

  • 386的32-bit与286的16-bit保护模式比较，有两个主要的不同：

  • Offsets拓展到32-bits。这就允许一个offset达到4 billion，段的大小升级到4G。 段可以被分为更小的4K大小的页（pages）。虚拟内存就不再与段合作而是与页合作。

注意

关于内存，有一些计量单位，如下表：

名称 含义
word 2 bytes
double word 4 bytes
quad word 8 bytes
paragraph 16 bytes

参考资料：