實模式、保護模式與虛擬8086模式

學習嵌入式的時候想到開發板上系統的啟動過程，由此想到了windows系統的啟動過程，找資料查看啟動過程的時候，資料裡面說boot sector運行在實模式下，然後Ntldr運行在保護模式下，突然發現自己對這兩種模式忘的差不多了，於是找了些資料看。

 

80386處理器有3種工作模式：實模式、保護模式和虛擬86模式。實模式和虛擬86模式是為了和8086處理器相容而設定的。在實模式
下，80386處理器就相當於一個快速的8086處理器。保護模式是80386處理器的主要工作模式。在此方式下，80386可以定址4  
GB的地址空間，同時，保護模式提供了80386先進的多任務、記憶體分頁管理和優先順序保護等機制。為了在保護模式下繼續提供和8086處理器的兼
容，80386又設計了一種虛擬86模式，以便可以在保護模式的多任務條件下，有的任務運行32位程式，有的任務運行MS-DOS程式。在虛擬86模式
下，同樣支援任務切換、記憶體分頁管理和優先順序，但記憶體的定址方式和8086相同，也是可以定址1   MB的空間。

由此可
見，80386處理器的3種工作模式各有特點且相互聯絡。實模式是80386處理器工作的基礎，這時80386當做一個快速的8086處理器工作。在實模
式下可以通過指令切換到保護模式，也可以從保護模式退回到實模式。虛擬86模式則以保護模式為基礎，在保護模式和虛擬86模式之間可以互相切換，但不能從
實模式直接進入虛擬86模式或從虛擬86模式直接退到實模式。

1.   實模式

80386處理器被複位或加電的時候
以實模式啟動。這時候處理器中的各寄存器以實模式的初始化值工作。80386處理器在實模式下的儲存空間定址方式和8086是一樣的，由段寄存器的內容乘以
16當做基地址，加上段內的位移地址形成最終的物理地址，這時候它的32位地址線只使用了低20位。在實模式下，80386處理器不能對記憶體進行分頁管
理，所以指令定址的地址就是記憶體中實際的物理地址。在實模式下，所有的段都是可以讀、寫和執行的。

實模式下80386不支援優先順序，所
有的指令相當於工作在特權級（優先順序0），所以它可以執行所有特權指令，包括讀寫控制寄存器CR0等。實際上，80386就是通過在實模式下初始化控制寄
存器，GDTR，LDTR，IDTR與TR等管理寄存器以及頁表，然後再通過載入CR0使其中的保護模式使能位置位而進入保護模式的。實模式下不支援硬體
上的多任務切換。

實模式下的中斷處理方式和8086處理器相同，也用中斷向量表來定位中斷服務程式地址。中斷向量表的結構也和8086處理器一樣，每4個位元組組成一個中斷向量，其中包括兩個位元組的段地址和兩個位元組的位移地址。

從
編程的角度看，除了可以訪問80386新增的一些寄存器外，實模式的80386處理器和8086有什麼進步呢？其實最大的好處是可以使用80386的32
位寄存器，用32位的寄存器進行編程可以使計算程式更加簡捷，加快了執行速度。比如在8086時代用16位寄存器來完成32位的乘法和除法時，要進行的步
驟實在是太多了，於是考試時出這一類的題目就成了老師們的最愛，所以那時候當學生做夢都想著讓寄存器的位元快快長，現在夢想終於成真了，用32位寄存器一
條指令就可以完成（問題是老師們也發現了這個投機取巧的辦法，為了達到讓學生們基礎紮實的目的，也把題目換成了64位的乘法和除法，所以現在晚上做的夢換
成了寄存器忽然長到了64位）；其次，80386中增加的兩個輔助段寄存器FS和GS在實模式下也可以使用，這樣，同時可以訪問的段達到了6個而不必考慮
重新裝入的問題；最後，很多80386的新增指令也使一些原來不很方便的操作得以簡化，如80386中可以使用下述指令進行數組訪問：

        mov   cx,[eax   +   ebx   *   2   +   數組基地址]

這
相當於把數組中下標為eax和ebx的項目放入cx中；ebx   *  
2中的2可以是1，2，4或8，這樣就可以支援8位到64位的數組。而在8086處理器中，實現相同的功能要進行一次乘法和兩次加法。另外，pushad
和popad指令可以一次把所有8個通用寄存器的值壓入或從堆棧中彈出，比起用下面的指令分別將8個寄存器入棧要快了很多：

        push         eax

        push         ebx

        ...

        pop   ebx

        pop   eax

當然，使用了這些新指令的程式是無法拿回到8086處理器上去執行的，因為這些指令的編碼在8086處理器上是未定義的。

2.   保護模式

當
80386工作在保護模式下的時候，它的所有功能都是可用的。這時80386所有的32根地址線都可供定址，物理定址空間高達4  
GB。在保護模式下，支援記憶體分頁機制，提供了對虛擬記憶體的良好支援。雖然與8086可定址的1  
MB物理地址空間相比，80386可定址的物理地址空間可謂很大，但實際的微機系統不可能安裝如此大的實體記憶體。所以，為了運行大型程式和真正實現多任
務，虛擬記憶體是一種必需的技術。

保護模式下80386支援多任務，可以依靠硬體僅在一條指令中實現任務切換。任務環境的保護工作是由處
理器自動完成的。在保護模式下，80386處理器還支援優先順序機制，不同的程式可以運行在不同的優先順序上。優先順序一共分0～3  
4個層級，作業系統運行在最高的優先順序0上，應用程式則運行在比較低的層級上；配合良好的檢查機制後，既可以在任務間實現資料的安全共用也可以很好地隔離
各個任務。從實模式切換到保護模式是通過修改控制寄存器CR0的控制位PE（位0）來實現的。在這之前還需要建立保護模式必需的一些資料表，如全域描述符
表GDT和中斷描述符表IDT等。

DOS作業系統運行於實模式下，而Windows作業系統運行於保護模式下。

3.   虛擬86模式

虛
擬86模式是為了在保護模式下執行8086程式而設定的。雖然80386處理器已經提供了實模式來相容8086程式，但這時8086程式實際上只是運行得
快了一點，對CPU的資源還是獨佔的。在保護模式的多任務環境下運行這些程式時，它們中的很多指令和保護模式環境格格不入，如段定址方式、對中斷的處理和
I/O操作的特權問題等。為了在保護模式下工作而丟棄這些程式的代價是巨大的。設想一下，如果Windows或80386處理器推出的時候宣布不能運行以
前的MS-DOS程式，那麼就等於放棄了一個巨大的軟體庫，Windows以及80386處理器可能就會落得和蘋果機一樣的下場，這是Microsoft
和Intel都不願看到的。所以，80386處理器又設計了一個虛擬86模式。

虛擬86模式是以任務形式在保護模式上執行的，在
80386上可以同時支援由多個真正的80386任務和虛擬86模式構成的任務。在虛擬86模式下，80386支援任務切換和記憶體分頁。在Windows
作業系統中，有一部分程式專門用來管理虛擬86模式的任務，稱為虛擬86管理程式。

既然虛擬86模式以保護模式為基礎，它的工作方式實
際上是實模式和保護模式的混合。為了和8086程式的定址方式相容，虛擬86模式採用和8086一樣的定址方式，即用段寄存器乘以16當做基址再配合位移
地址形成線性地址，定址空間為1   MB。但顯然多個虛擬86任務不能同時使用同一位置的1  
MB地址空間，否則會引起衝突。作業系統利用分頁機制將不同虛擬86任務的地址空間映射到不同的物理地址上去，這樣每個虛擬86任務看起來都認為自己在使
用0～1   MB的地址空間。

8086代碼中有相當一部分指令在保護模式下屬於特權指令，如屏蔽中斷的cli和中斷返回指令iret
等。這些指令在8086程式中是合法的。如果不讓這些指令執行，8086代碼就無法工作。為瞭解決這個問題，虛擬86管理程式採用類比的方法來完成這些指
令。這些特權指令執行的時候引起了保護異常。虛擬86管理程式在例外處理常式中檢查產生異常的指令，如果是中斷指令，則從虛擬86任務的中斷向量表中取出
中斷處理常式的入口地址，並將控制轉移過去；如果是危及作業系統的指令，如cli等，則簡單地忽略這些指令，在例外處理常式返回的時候直接返回到下一條指
令。通過這些措施，8086程式既可以正常地運行下去，在執行這些指令的時候又覺察不到已經被虛擬86管理程式做了手腳。MS-DOS應用程式在    
Windows作業系統中就是這樣工作的。

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什麼是保護模式
自從1969年推出第一個微處理器以來，Intel處理器就在不斷地更新換代，從8086、8088、80286，到
80386、80486、奔騰、奔騰Ⅱ、奔騰4等，其體繫結構也在不斷變化。80386以後，提供了一些新的功能，彌補了8086的一些缺陷。這其中包括
記憶體保護、多任務及使用640KB以上的記憶體等，並仍然保持和8086家族的相容性。也就是說80386仍然具備了8086和80286的所有功能，但是
在功能上有了很大的增強。早期的處理器是工作在實模式之下的，80286以後引入了保護模式，而在80386以後保護模式又進行了很大的改進。在
80386中，保護模式為程式員提供了更好的保護，提供了更多的記憶體。事實上，保護模式的目的不是為了保護程式，而是要保護程式以外的所有程式（包括操作
系統）。
簡言之，保護模式是處理器的一種最自然的模式。在這種模式下，處理器的所有指令及體繫結構的所有特色都是可用的，並且能夠達到最高的效能。
保護模式和實模式
從
表面上看，保護模式和實模式並沒有太大的區別，二者都使用了記憶體段、中斷和裝置驅動來處理硬體，但二者有很多不同之處。我們知道，在實模式中記憶體被劃分成
段，每個段的大小為64KB，而這樣的段地址可以用16位來表示。記憶體段的處理是通過和段寄存器相關聯的內部機制來處理的，這些段寄存器（CS、DS、
SS和ES）的內容形成了物理地址的一部分。具體來說，最終的物理地址是由16位的段地址和16位的段內位移地址組成的。用公式表示為：
物理地址=左移4位的段地址+位移地址。
在
保護模式下，段是通過一系列被稱之為"描述符表"的表所定義的。段寄存器儲存的是指向這些表的指標。用於定義記憶體段的表有兩種：通用描述元表(GDT)和
局部描述符表(LDT)。GDT是一個段描述符數組，其中包含所有應用程式都可以使用的基本描述符。在實模式中，段長是固定的(為64KB)，而在保護模
式中，段長是可變的，其最大可達4GB。LDT也是段描述符的一個數組。與GDT不同，LDT是一個段，其中存放的是局部的、不需要全域共用的段描述符。
每一個作業系統都必須定義一個GDT，而每一個正在啟動並執行任務都會有一個相應的LDT。每一個描述符的長度是8個位元組，格式3所示。當段寄存器被載入
的時候，段基地址就會從相應的表入口獲得。描述符的內容會被儲存在一個程式員不可見的影像寄存器(shadow
register)之中，以便下一次同一個段可以使用該資訊而不用每次都到表中提取。物理地址由16位或者32位的位移加上影像寄存器中的基址組成。實模
式和保護模式的不同可以從圖1和圖2中很清楚地看出來。
此外，還有一個中斷描述符表(IDT)。這些中斷描述符會告訴處理器到那裡可以找到中斷處理常式。和實模式一樣，每一個中斷都有一個入口，但是這些入口的格式卻完全不同。因為在切換到保護模式的過程中沒有使用到IDT，所以在此就不多做介紹了。
進入保護模式
80386
有4個32位控制寄存器，名字分別為CR0、CR1、CR2和CR3。CR1是保留在未來處理器中使用的，在80386中沒有定義。CR0包含系統的控制
標誌，用於控制處理器的操作模式和狀態。CR2和CR3是用於控制分頁機制的。在此，我們關注的是CR0寄存器的PE位控制，它負責實模式和保護模式之間
的切換。當PE=1時，說明處理器運行於保護模式之下，其採用的段機制和前面所述的相應內容對應。如果PE=0，那麼處理器就工作在實模式之下。
切換到保護模式，實際就是把PE位置為1。為了把系統切換到保護模式，還要做一些其它的事情。程式必須要對系統的段寄存器和控制寄存器進行初始化。把PE位置1後，還要執行跳轉指令。過程簡述如下：
1.建立GDT表;
2.通過置PE位為1進入保護模式;
3.執行跳轉以清除在實模式下讀取的任何指令。
實模式下，cpu指令訪問的地址就是物理地址,形式為：段寄存器：位移
在保護模式下，cpu可以使用分段機制和分頁機制。
分段機制下使用的地址就是邏輯地址，形式為：段選擇子：位移
分頁機制下使用的地址就是線性地址，形式為：0xXXXXXXXX
無論是邏輯地址還是線性地址，都要被cpu映射成物理地址。
保護模式下必須採用分段機制。在此基礎上可採用分頁機制。
邏輯地址被轉化為線性地址，如果採用分頁機制，則該線性地址通過分頁機制被映射成物理地址。如果不採用分頁機制，則該線性地址就是物理地址。
實模式下的物理地址只能訪問1M以下空間，而保護模式下的物理地址可以訪問所有32位空間。並且要注意，實體記憶體空間只是物理地址空間的一個部分而已。