实模式与保护模式解惑之（一）—

本文主要是介绍实模式与保护模式解惑之（一）——二者的起源与区别，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

概述：实模式和保护模式是处理器发展的两个非常重要的阶段。这两个模式下的编程也有着显著的不同，弄明实模式与保护模式的区别是理解操作系统运行原理和编写操作系统的基础。本文主要讲解了实模式和保护模式的区别和保护模式的起源，侧重点在二者寻址方式上的差异。

本文来源：实模式与保护模式解惑之（一）——二者的起源与区别

1.保护模式的起源

最开始的程序寻址是直接的“段：偏移”模式，这样的好处是所见即所得，程序员指定的地址就是物理地址，物理地址对程序员是可见的。但是，由此也带来两个问题：1）无法支持多任务2）程序的安全性无法得到保证(用户程序可以改写系统空间或者其他用户的程序内容)。

实模式将整个物理内存看成分段的区域,程序代码和数据位于不同区域，系统程序和用户程序没有区别对待，而且每一个指针都是指向"实在"的物理地址。这样一来，用户程序的一个指针如果指向了系统程序区域或其他用户程序区域，并改变了值，那么对于这个被修改的系统程序或用户程序，其后果就很可能是灾难性的。为了克服这种低劣的内存管理方式，处理器厂商开发出保护模式。这样，物理内存地址不能直接被程序访问，程序内部的地址（虚拟地址）要由操作系统转化为物理地址去访问，程序对此一无所知。

在保护模式下，全部32条地址线有效，可寻址高达4G字节的物理地址空间;扩充的存储器分段管理机制和可选的存储器分页管理机制，不仅为存储器共享和保护提供了硬件支持，而且为实现虚拟存储器提供了硬件支持;支持多任务，能够快速地进行任务切换和保护任务环境;4个特权级和完善的特权检查机制，既能实现资源共享又能保证代码和数据的安全和保密及任务的隔离;支持虚拟8086方式，便于执行8086程序。

保护模式出现的原因是：保护进程地址空间。这样，就产生了一个结果：两种模式下程序的寻址方式发生了变化。

从80386开始，cpu有三种工作方式：实模式，保护模式和虚拟8086模式。只有在刚刚启动的时候是real-mode，等到linux操作系统运行起来以后就运行在保护模式。虚拟8086模式是运行在保护模式中的实模式，为了在32位保护模式下执行纯16位程序。它不是一个真正的CPU模式，还属于保护模式。CPU启动环境为16位实模式，之后可以切换到保护模式。但从保护模式无法切换回实模式

2.保护模式与实模式的区别

2.1寻址方式

1）实模式的寻址方式与工作机理：

8086是16位的cpu，只能访问地址在1M以下的内存称为常规内存，我们把地址在1M以上的内存称为扩展内存。实模式下有着16位的寄存器/16位数据总线/20位地址总线。一个地址有段和偏移两部分组成，物理地址的计算公式为：

physicaladdress=segment * 16 + offset

其中，segment和offset都是16位的。

通过上述分段技术模式，能够表示的最大内存为：FFFFh:FFFFh=FFFF0h+FFFFh=10FFEFh=1M+64K-16Bytes（1M多余出来的部分被称做高端内存区HMA）。但8086/8088只有20位地址线，只能够访问1M地址范围的数据，所以如果访问100000h~10FFEFh之间的内存（大于1M空间），则必须有第21根地址线来参与寻址（8086/8088没有）。因此，当程序员给出超过1M（100000H-10FFEFH）的地址时，因为逻辑上正常，系统并不认为其访问越界而产生异常，而是自动从0开始计算，也就是说系统计算实际地址的时候是按照对1M求模的方式进行的，这种技术被称为wrap-around。

对于80286或以上的CPU通过A20GATE来控制A20地址线。技术发展到了 80286，虽然系统的地址总线由原来的20根发展为24根，这样能够访问的内存可以达到2^24=16M,但是Intel在设计80286时提出的目标是向下兼容,所以在实模式下，系统所表现的行为应该和8086/8088所表现的完全一样，也就是说，在实模式下，80386以及后续系列应该和8086/8088完全兼容仍然使用A20地址线。所以说80286芯片存在一个BUG：它开设A20地址线。如果程序员访问100000H-10FFEFH之间的内存，系统将实际访问这块内存（没有wrap-around技术），而不是象8086/8088一样从0开始。我们来看一副图：

为了解决上述兼容性问题，IBM使用键盘控制器上剩余的一些输出线来管理第21根地址线（从0开始数是第20根）的有效性，被称为A20Gate：

A.如果A20Gate被打开，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统将真正访问这块内存区域；

B.如果A20Gate被禁止，则当程序员给出100000H-10FFEFH之间的地址的时候，系统仍然使用8086/8088的方式即取模方式（8086仿真）。绝大多数IBMPC兼容机默认的A20Gate是被禁止的。现在许多新型PC上存在直接通过BIOS功能调用来控制A20Gate的功能。

上面所述的内存访问模式都是实模式，在80286以及更高系列的PC中，即使A20Gate被打开，在实模式下所能够访问的内存最大也只能为10FFEFH，尽管它们的地址总线所能够访问的能力都大大超过这个限制。为了能够访问10FFEFH以上的内存，则必须进入保护模式。

2）保护模式寻址：

从80386开始，进入32位cpu时代，有32位地址总线。但是，地址并没有用寄存器直接指定，仍然采用了“段+偏移”的模式。虽然段值仍然由原来的16位cs/ds等寄存器指定，但此时这些寄存器中存放的不再是段基址，而是一个索引：从这个索引，可以找到一个表项，里面存放了段基址等很多属性，这个表项称为段描述符，这个表就称为GDT。