保护模式下的寻址

在汇编语言中，或者你有学习过诸如微机原理或计算机组成原理等课程的话，那么你很可能听说过实模式和保护模式的概念。他们到底是什么，有什么不同，又如何寻址？

在王爽的《汇编语言》最后，有关于Intel微处理器的三种工作模式的介绍。

继Intel 8086推出之后，Intel又推出了划时代的80386微处理器，它可以在实模式、保护模式和虚拟8086模式下工作，从那以后的微处理器都提供了这三种工作模式，直到现在。Intel系列微处理器的三种工作模式如下：

• 实模式：工作模式相当于一个8086
• 保护模式：提供支持多任务环境的工作方式，建立保护机制
• 虚拟8086模式：可以从保护模式切换至其中的一种8086工作方式，这种方式的提供使用户可以方便的在保护模式下运行一个或多个8086程序

当我们的系统开机时，cpu首先工作在实模式下完成一些工作，之后跳入保护模式，为我们的系统提供多任务环境的支持。而当我们需要在保护模式的系统上运行实模式下的程序时（比如学习汇编时所用的DOS系统），我们就需要在当前的保护模式下弄一个“假”的实模式，这就是虚拟8086模式。

GDT和描述符

在实模式下（可以理解为工作在8086上时），我们的CPU是16位的，提供了16位的寄存器，16位数据总线，20位的地址总线，可寻址范围位1M。物理地址遵循下面的计算公式：

[物理地址 = 段地址 * 16 + 偏移地址 ]

其中的段地址和偏移地址都是16位的。

从80386开始，Intel家族的CPU进入了32位时代，这时候CPU有32位的地址总线，所以可寻址范围为4G。CPU同样拥有的是32位的寄存器，一个寄存器即可寻址4GB的空间。

在实模式下，我们采用段地址:偏移地址的寻址方式是因为我们只有16为的寄存器，单个寄存器的寻址范围达不到1MB，但现在我们拥有了32位的寄存器，单个寄存器的可寻址范围已经可以达到4GB了，那么是不是就不需要段寄存器了？答案是否定的。在保护模式下，地址仍然采用“段地址:偏移地址”的方式来表示，只是段的概念发生了根本性的变化。

实模式下，段值（段地址的值）还是地址的一部分。在保护模式下，虽然段值仍然由原来的16位的cs、ds等寄存器表示，但是此时它们仅仅是一个索引，这些个索引指向一个数据结构的表项，表项中详细定义了一个段的起始地址、界限、属性等内容，这个数据结构，叫做GDT（其实还可能是LDT，我们先讨论大多数情况），GDT中的每一个表项，叫做描述符

寻址过程

我们在来看一下保护模式下的寻址过程。在此之前，有几点要说明：

• GDT是一个数据结构，它是保存在内存中的，所以它应该有一个起始地址，它是一系列描述符的集合
• GDT的起始地址由一个专门的寄存器来存放 -- gdtr，gdtr寄存器是48位的，这个寄存器我们稍后在探讨
• GDT中的每一个描述符描述一个段，其中包括段的起始地址（基址）等属性
• 保护模式的偏移地址和实模式下的是相同的，只不过是32位

好了，下面有一张图，我们可以看着这张图过一遍保护模式下是如何寻址的。

1. 寻址时，先找到gdtr寄存器，从中得到GDT的基址
2. 有了GDT的基址，又有段寄存器中保存的索引，可以得到段寄存器“所指”的那个表项，既所指的那个描述符
3. 得到了描述符，就可以从描述符中得到该描述符所描述的那个段的起始地址
4. 有了段的起始地址，将偏移地址拿过来与之相加，便能得到最后的线性地址
5. 有了线性地址（虚拟地址），经过变换，即可得到相应的物理地址

相信到这里，你已经对寻址过程有了个大概的了解，然后我们看看我们上面所未详细提及的东西

gdtr寄存器

gdtr是一个48位的寄存器，其中保存了GDT的基地址和界限（或者说GDT的长度），高32位为GDT的基地址，低16位为界限。还记得保护模式中的段寄存器也是16位的吗，它们和gdtr中的界限是对应的啊。

描述符

GDT中的每个描述符占8个字节，其结构如下

我们可以不用管其中的属性，仅看段基址和段界限。是不是和上面的寻址联系上了呢。

你可能会问，问什么段基址和段界限都被分开了，却不放在一起？这主要还是历史遗留问题，我们就不在探讨了。

代码

光看理论终究还是水中月，我们看一段简单的代码实际体会一下。

[SECTION .gdt]
; GDT
;                              段基址,       段界限     , 属性
LABEL_GDT:	   Descriptor       0,                0, 0           ; 空描述符
LABEL_DESC_CODE32: Descriptor       0, SegCode32Len - 1, DA_C + DA_32; 非一致代码段
LABEL_DESC_VIDEO:  Descriptor 0B8000h,           0ffffh, DA_DRW	     ; 显存首地址
; GDT 结束

GdtLen		equ	$ - LABEL_GDT	; GDT长度
GdtPtr		dw	GdtLen - 1	; GDT界限
		dd	0		; GDT基地址

; GDT 选择子
SelectorCode32		equ	LABEL_DESC_CODE32	- LABEL_GDT
SelectorVideo		equ	LABEL_DESC_VIDEO	- LABEL_GDT

上面的代码中，我们定义了一个角.gdt的段，其中前三个LABLE_xxx后是我们用一个叫Descriptor宏定义了三个选择子，其中的数值并不一定正确，因为我们只是定义了，还并没有初始化。 Descriptor的作用是将段基址、段界限和属性放在一个选择子中相应的位置，其定义在文章末尾，感兴趣的话可以看下。

GdtPtr是不是和gdtr中所放的内容一样呢？没错，当我们在实模式进入保护模式之前，我们需要将GdtPtr的值加载到gdtr寄存器：使用指令lgdt [GdtPtr]

那最后两个GDT选择子又是什么呢？好像是描述符相对于GDT基地址的偏移，其实并不全对，它稍稍复杂一些，如下图所示。

其中TI和RPL是选择子的一些属性，剩下的高13位表示的是描述符在描述符表的位置，即GDT中第几个描述符

最后，我们看一下如何使用上面的东西吧

[SECTION .s32]; 32 位代码段. 
[BITS	32]

LABEL_SEG_CODE32:
	mov	ax, SelectorVideo
	mov	gs, ax			; 视频段选择子(目的)

	mov	edi, (80 * 11 + 79) * 2	; 屏幕第 11 行, 第 79 列。
	mov	ah, 0Ch			; 0000: 黑底    1100: 红字
	mov	al, 'P'
	mov	[gs:edi], ax

	; 到此停止
	jmp	$

SegCode32Len	equ	$ - LABEL_SEG_CODE32

上述代码将一个字母P显示在屏幕上。gs中保存的是显存的选择子，edi为偏移地址，然后使用mov [gs:edi], ax将ax的内容写入到地址为gs所指的描述符中的段基址+edi的内存处，由于这里写入的是显存，所以将会将一个字母P显示在屏幕上。

Descriptor宏的定义如下

; usage: Descriptor Base, Limit, Attr
;        Base:  dd
;        Limit: dd (low 20 bits available)
;        Attr:  dw (lower 4 bits of higher byte are always 0)
%macro Descriptor 3
	dw	%2 & 0FFFFh				; 段界限1
	dw	%1 & 0FFFFh				; 段基址1
	db	(%1 >> 16) & 0FFh			; 段基址2
	dw	((%2 >> 8) & 0F00h) | (%3 & 0F0FFh)	; 属性1 + 段界限2 + 属性2
	db	(%1 >> 24) & 0FFh			; 段基址3
%endmacro ; 共 8 字节

---

完

参考：

• 《汇编语言》 王爽
• 《一个操作系统的实现》 于渊