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05 | CPU工作模式：执行程序的三种模式

05 | CPU工作模式：执行程序的三种模式-极客时间

05 | CPU工作模式：执行程序的三种模式

2021-05-19 LMOS 来自北京
《操作系统实战45讲》
课程介绍

讲述：陈晨

时长21:37大小19.75M

你好，我是 LMOS。
我们在前面已经设计了我们的 OS 架构，你也许正在考虑怎么写代码实现它。恕我直言，现在我们还有很多东西没搞清楚。
由于 OS 内核直接运行在硬件之上，所以我们要对运行我们代码的硬件平台有一定的了解。接下来，我会通过三节课，带你搞懂硬件平台的关键内容。
今天我们先来学习 CPU 的工作模式，硬件中最重要的就是 CPU，它就是执行程序的核心部件。而我们常用的电脑就是 x86 平台，所以我们要对 x86 CPU 有一些基本的了解。
按照 CPU 功能升级迭代的顺序，CPU 的工作模式有实模式、保护模式、长模式，这几种工作模式下 CPU 执行程序的方式截然不同，下面我们一起来探讨这几种工作模式。

从一段死循环的代码说起

请思考一下，如果下面这段应用程序代码能够成功运行，会有什么后果？
int main()
{
int* addr = (int*)0;
cli(); //关中断
while(1)
{
*addr = 0;
addr++;
}
return 0;
}
上述代码首先关掉了 CPU 中断，让 CPU 停止响应中断信号，然后进入死循环，最后从内存 0 地址开始写入 0。你马上就会想到，这段代码只做了两件事：一是锁住了 CPU，二是清空了内存，你也许会觉得如果这样的代码能正常运行，那简直太可怕了。
不过如果是在实模式下，这样的代码确实是能正常运行。因为在很久以前，计算机资源太少，内存太小，都是单道程序执行，程序大多是由专业人员编写调试好了，才能预约到一个时间去上机运行，没有现代操作系统的概念。
后来有 DOS 操作系统，也是单道程序系统，不具备执行多道程序的能力，所以 CPU 这种模式也能很好地工作。
下面我们就从最简单，也是最原始的实模式开始讲起。

实模式

实模式又称实地址模式，实，即真实，这个真实分为两个方面，一个方面是运行真实的指令，对指令的动作不作区分，直接执行指令的真实功能，另一方面是发往内存的地址是真实的，对任何地址不加限制地发往内存。

实模式寄存器

由于 CPU 是根据指令完成相应的功能，举个例子：ADD AX,CX；这条指令完成加法操作，AX、CX 为 ADD 指令的操作数，可以理解为 ADD 函数的两个参数，其功能就是把 AX、CX 中的数据相加。
指令的操作数，可以是寄存器、内存地址、常数，其实通常情况下是寄存器，AX、CX 就是 x86 CPU 中的寄存器。
下面我们就去看看 x86 CPU 在实模式下的寄存器。表中每个寄存器都是 16 位的。
实模式下的寄存器

实模式下访问内存

虽然有了寄存器，但是数据和指令都是存放在内存中的。通常情况下，需要把数据装载进寄存器中才能操作，还要有获取指令的动作，这些都要访问内存才行，而我们知道访问内存靠的是地址值。
那问题来了，这个值是如何计算的呢？计算过程如下图。
实模式下访问内存
结合上图可以发现，所有的内存地址都是由段寄存器左移 4 位，再加上一个通用寄存器中的值或者常数形成地址，然后由这个地址去访问内存。这就是大名鼎鼎的分段内存管理模型。
只不过这里要特别注意的是，代码段是由 CS 和 IP 确定的，而栈段是由 SS 和 SP 段确定的。
下面我们写一个 DOS 下的 Hello World 应用程序，这是一个工作在实模式下的汇编代码程序，一共 16 位，具体代码如下：
data SEGMENT ;定义一个数据段存放Hello World!
hello DB 'Hello World!$' ;注意要以$结束
data ENDS
code SEGMENT ;定义一个代码段存放程序指令
ASSUME CS:CODE,DS:DATA ;告诉汇编程序，DS指向数据段，CS指向代码段
start:
MOV AX,data ;将data段首地址赋值给AX
MOV DS,AX ;将AX赋值给DS，使DS指向data段
LEA DX,hello ;使DX指向hello首地址
MOV AH,09h ;给AH设置参数09H，AH是AX高8位，AL是AX低8位，其它类似
INT 21h ;执行DOS中断输出DS指向的DX指向的字符串hello
MOV AX,4C00h ;给AX设置参数4C00h
INT 21h ;调用4C00h号功能，结束程序
code ENDS
END start
上述代码中的结构模型，也是符合 CPU 实模式下分段内存管理模式的，它们被汇编器转换成二进制数据后，也是以段的形式存在的。
代码中的注释已经很明确了，你应该很容易就能理解，大多数是操作寄存器，其中 LEA 是取地址指令，MOV 是数据传输指令，就是 INT 中断你可能还不太明白，下面我们就来研究它。

实模式中断

中断即中止执行当前程序，转而跳转到另一个特定的地址上，去运行特定的代码。在实模式下它的实现过程是先保存 CS 和 IP 寄存器，然后装载新的 CS 和 IP 寄存器，那么中断是如何产生的呢？
第一种情况是，中断控制器给 CPU 发送了一个电子信号，CPU 会对这个信号作出应答。随后中断控制器会将中断号发送给 CPU，这是硬件中断。
第二种情况就是 CPU 执行了 INT 指令，这个指令后面会跟随一个常数，这个常数即是软中断号。这种情况是软件中断。
无论是硬件中断还是软件中断，都是 CPU 响应外部事件的一种方式。
为了实现中断，就需要在内存中放一个中断向量表，这个表的地址和长度由 CPU 的特定寄存器 IDTR 指向。实模式下，表中的一个条目由代码段地址和段内偏移组成，如下图所示。
实模式中断表
有了中断号以后，CPU 就能根据 IDTR 寄存器中的信息，计算出中断向量中的条目，进而装载 CS（装入代码段基地址）、IP（装入代码段内偏移）寄存器，最终响应中断。

保护模式

随着软件的规模不断增加，需要更高的计算量、更大的内存容量。
内存一大，首先要解决的问题是寻址问题，因为 16 位的寄存器最多只能表示 个地址，所以 CPU 的寄存器和运算单元都要扩展成 32 位的。
不过，虽然扩展 CPU 内部器件的位数解决了计算和寻址问题，但仍然没有解决前面那个实模式场景下的问题，导致前面场景出问题的原因有两点。第一，CPU 对任何指令不加区分地执行；第二，CPU 对访问内存的地址不加限制。
基于这些原因，CPU 实现了保护模式。保护模式是如何实现保护功能的呢？我们接着往下看。

保护模式寄存器

保护模式相比于实模式，增加了一些控制寄存器和段寄存器，扩展通用寄存器的位宽，所有的通用寄存器都是 32 位的，还可以单独使用低 16 位，这个低 16 位又可以拆分成两个 8 位寄存器，如下表。
保护模式下的寄存器

保护模式特权级

为了区分哪些指令（如 in、out、cli）和哪些资源（如寄存器、I/O 端口、内存地址）可以被访问，CPU 实现了特权级。
特权级分为 4 级，R0~R3，每个特权级执行指令的数量不同，R0 可以执行所有指令，R1、R2、R3 依次递减，它们只能执行上一级指令数量的子集。而内存的访问则是靠后面所说的段描述符和特权级相互配合去实现的。如下图.
CPU特权级示意图
上面的圆环图，从外到内，既能体现权力的大小，又能体现各特权级对资源控制访问的多少，还能体现各特权级之间的包含关系。R0 拥有最大权力，可以访问低特权级的资源，反之则不行。

保护模式段描述符

目前为止，内存还是分段模型，要对内存进行保护，就可以转换成对段的保护。
由于 CPU 的扩展导致了 32 位的段基地址和段内偏移，还有一些其它信息，所以 16 位的段寄存器肯定放不下。放不下就要找内存借空间，然后把描述一个段的信息封装成特定格式的段描述符，放在内存中，其格式如下。
保护模式段描述符
一个段描述符有 64 位 8 字节数据，里面包含了段基地址、段长度、段权限、段类型（可以是系统段、代码段、数据段）、段是否可读写，可执行等。虽然数据分布有点乱，这是由于历史原因造成的。
多个段描述符在内存中形成全局段描述符表，该表的基地址和长度由 CPU 和 GDTR 寄存器指示。如下图所示。
全局段描述符表
我们一眼就可以看出，段寄存器中不再存放段基地址，而是具体段描述符的索引，访问一个内存地址时，段寄存器中的索引首先会结合 GDTR 寄存器找到内存中的段描述符，再根据其中的段信息判断能不能访问成功。

保护模式段选择子

如果你认为 CS、DS、ES、SS、FS、GS 这些段寄存器，里面存放的就是一个内存段的描述符索引，那你可就草率了，其实它们是由影子寄存器、段描述符索引、描述符表索引、权限级别组成的。如下图所示。
保护模式段选择子
上图中影子寄存器是靠硬件来操作的，对系统程序员不可见，是硬件为了减少性能损耗而设计的一个段描述符的高速缓存，不然每次内存访问都要去内存中查表，那性能损失是巨大的，影子寄存器也正好是 64 位，里面存放了 8 字节段描述符数据。
低三位之所以能放 TI 和 RPL，是因为段描述符 8 字节对齐，每个索引低 3 位都为 0，我们不用关注 LDT，只需要使用 GDT 全局描述符表，所以 TI 永远设为 0。
通常情况下，CS 和 SS 中 RPL 就组成了 CPL（当前权限级别），所以常常是 RPL=CPL，进而 CPL 就表示发起访问者要以什么权限去访问目标段，当 CPL 大于目标段 DPL 时，则 CPU 禁止访问，只有 CPL 小于等于目标段 DPL 时才能访问。

保护模式平坦模型

分段模型有很多缺陷，这在后面课程讲内存管理时有详细介绍，其实现代操作系统都会使用分页模型（这点在后面讲 MMU 那节课再探讨）。
但是 x86 CPU 并不能直接使用分页模型，而是要在分段模型的前提下，根据需要决定是否要开启分页。因为这是硬件的规定，程序员是无法改变的。但是我们可以简化设计，来使分段成为一种“虚设”，这就是保护模式的平坦模型。
根据前面的描述，我们发现 CPU32 位的寄存器最多只能产生 4GB 大小的地址，而一个段长度也只能是 4GB，所以我们把所有段的基地址设为 0，段的长度设为 0xFFFFF，段长度的粒度设为 4KB，这样所有的段都指向同一个（（段的长度 +1）* 粒度 - 1）字节大小的地址空间。
下面我们还是看一看前面 Hello OS 中段描述符表，如下所示。
GDT_START:
knull_dsc: dq 0
;第一个段描述符CPU硬件规定必须为0
kcode_dsc: dq 0x00cf9e000000ffff
;段基地址=0，段长度=0xfffff
;G=1,D/B=1,L=0,AVL=0
;P=1,DPL=0,S=1
;T=1,C=1,R=1,A=0
kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
;段基地址=0，段长度=0xfffff
;G=1,D/B=1,L=0,AVL=0
;P=1,DPL=0,S=1
;T=0,C=0,R=1,A=0
GDT_END:
GDT_PTR:
GDTLEN dw GDT_END-GDT_START-1
GDTBASE dd GDT_START
上面代码中注释已经很明白了，段长度需要和 G 位配合，若 G 位为 1 则段长度等于 0xfffff 个 4KB。上面段描述符的 DPL=0，这说明需要最高权限即 CPL=0 才能访问。

保护模式中断

你还记得实模式下 CPU 是如何处理中断的吗？如果不记得了请回到前面看一看。
因为实模式下 CPU 不需要做权限检查，所以它可以直接通过中断向量表中的值装载 CS:IP 寄存器就好了。
而保护模式下的中断要权限检查，还有特权级的切换，所以就需要扩展中断向量表的信息，即每个中断用一个中断门描述符来表示，也可以简称为中断门，中断门描述符依然有自己的格式，如下图所示。
保护模式中断门描述符
同样的，保护模式要实现中断，也必须在内存中有一个中断向量表，同样是由 IDTR 寄存器指向，只不过中断向量表中的条目变成了中断门描述符，如下图所示。
保护模式段中断表
产生中断后，CPU 首先会检查中断号是否大于最后一个中断门描述符，x86 CPU 最大支持 256 个中断源（即中断号：0~255），然后检查描述符类型（是否是中断门或者陷阱门）、是否为系统描述符，是不是存在于内存中。
接着，检查中断门描述符中的段选择子指向的段描述符。
最后做权限检查，如果 CPL 小于等于中断门的 DPL，并且 CPL 大于等于中断门中的段选择子所指向的段描述符的 DPL，就指向段描述符的 DPL。
进一步的，CPL 等于中断门中的段选择子指向段描述符的 DPL，则为同级权限不进行栈切换，否则进行栈切换。如果进行栈切换，还需要从 TSS 中加载具体权限的 SS、ESP，当然也要对 SS 中段选择子指向的段描述符进行检查。
做完这一系列检查之后，CPU 才会加载中断门描述符中目标代码段选择子到 CS 寄存器中，把目标代码段偏移加载到 EIP 寄存器中。

切换到保护模式

x86 CPU 在第一次加电和每次 reset 后，都会自动进入实模式，要想进入保护模式，就需要程序员写代码实现从实模式切换到保护模式。切换到保护模式的步骤如下。
第一步，准备全局段描述符表，代码如下。
GDT_START:
knull_dsc: dq 0
kcode_dsc: dq 0x00cf9e000000ffff
kdata_dsc: dq 0x00cf92000000ffff
GDT_END:
GDT_PTR:
GDTLEN dw GDT_END-GDT_START-1
GDTBASE dd GDT_START
第二步，加载设置 GDTR 寄存器，使之指向全局段描述符表。
lgdt [GDT_PTR]
第三步，设置 CR0 寄存器，开启保护模式。
;开启 PE
mov eax, cr0
bts eax, 0 ; CR0.PE =1
mov cr0, eax
第四步，进行长跳转，加载 CS 段寄存器，即段选择子。
jmp dword 0x8 :_32bits_mode ;_32bits_mode为32位代码标号即段偏移
你也许会有疑问，为什么要进行长跳转，这是因为我们无法直接或间接 mov 一个数据到 CS 寄存器中，因为刚刚开启保护模式时，CS 的影子寄存器还是实模式下的值，所以需要告诉 CPU 加载新的段信息。
接下来，CPU 发现了 CRO 寄存器第 0 位的值是 1，就会按 GDTR 的指示找到全局描述符表，然后根据索引值 8，把新的段描述符信息加载到 CS 影子寄存器，当然这里的前提是进行一系列合法的检查。
到此为止，CPU 真正进入了保护模式，CPU 也有了 32 位的处理能力。

长模式

长模式又名 AMD64，因为这个标准是 AMD 公司最早定义的，它使 CPU 在现有的基础上有了 64 位的处理能力，既能完成 64 位的数据运算，也能寻址 64 位的地址空间。这在大型计算机上犹为重要，因为它们的物理内存通常有几百 GB。

长模式寄存器

长模式相比于保护模式，增加了一些通用寄存器，并扩展通用寄存器的位宽，所有的通用寄存器都是 64 位，还可以单独使用低 32 位。
这个低 32 位可以拆分成一个低 16 位寄存器，低 16 位又可以拆分成两个 8 位寄存器，如下表。
长模式下的寄存器

长模式段描述符

长模式依然具备保护模式绝大多数特性，如特权级和权限检查。相同的部分就不再重述了，这里只会说明长模式和保护模式下的差异。
下面我们来看看长模式下段描述的格式，如下图所示。
长模式段描述符
在长模式下，CPU 不再对段基址和段长度进行检查，只对 DPL 进行相关的检查，这个检查流程和保护模式下一样。
当描述符中的 L=1，D/B=0 时，就是 64 位代码段，DPL 还是 0~3 的特权级。然后有多个段描述在内存中形成一个全局段描述符表，同样由 CPU 的 GDTR 寄存器指向。
下面我们来写一个长模式下的段描述符表，加深一下理解，如下所示.
ex64_GDT:
null_dsc: dq 0
;第一个段描述符CPU硬件规定必须为0
c64_dsc:dq 0x0020980000000000 ;64位代码段
;无效位填0
;D/B=0,L=1,AVL=0
;P=1,DPL=0,S=1
;T=1,C=0,R=0,A=0
d64_dsc:dq 0x0000920000000000 ;64位数据段
;无效位填0
;P=1,DPL=0,S=1
;T=0,C/E=0,R/W=1,A=0
eGdtLen equ $ - null_dsc ;GDT长度
eGdtPtr:dw eGdtLen - 1 ;GDT界限
dq ex64_GDT
上面代码中注释已经很清楚了，段长度和段基址都是无效的填充为 0，CPU 不做检查。但是上面段描述符的 DPL=0，这说明需要最高权限即 CPL=0 才能访问。若是数据段的话，G、D/B、L 位都是无效的。

长模式中断

保护模式下为了实现对中断进行权限检查，实现了中断门描述符，在中断门描述符中存放了对应的段选择子和其段内偏移，还有 DPL 权限，如果权限检查通过，则用对应的段选择子和其段内偏移装载 CS:EIP 寄存器。
如果你还记得中断门描述符，就会发现其中的段内偏移只有 32 位，但是长模式支持 64 位内存寻址，所以要对中断门描述符进行修改和扩展，下面我们就来看看长模式下的中断门描述符的格式，如下图所示。
长模式中断门描述符
结合上图，我们可以看出长模式下中断门描述符的格式变化。
首先为了支持 64 位寻址中断门描述符在原有基础上增加 8 字节，用于存放目标段偏移的高 32 位值。其次，目标代码段选择子对应的代码段描述符必须是 64 位的代码段。最后其中的 IST 是 64 位 TSS 中的 IST 指针，因为我们不使用这个特性，所以不作详细介绍。
长模式也同样在内存中有一个中断门描述符表，只不过表中的条目（如上图所示）是 16 字节大小，最多支持 256 个中断源，对中断的响应和相关权限的检查和保护模式一样，这里不再赘述。

切换到长模式

我们既可以从实模式直接切换到长模式，也可以从保护模式切换长模式。切换到长模式的步骤如下。
第一步，准备长模式全局段描述符表。
ex64_GDT:
null_dsc: dq 0
;第一个段描述符CPU硬件规定必须为0
c64_dsc:dq 0x0020980000000000 ;64位代码段
d64_dsc:dq 0x0000920000000000 ;64位数据段
eGdtLen equ $ - null_dsc ;GDT长度
eGdtPtr:dw eGdtLen - 1 ;GDT界限
dq ex64_GDT
第二步，准备长模式下的 MMU 页表，这个是为了开启分页模式，切换到长模式必须要开启分页，想想看，长模式下已经不对段基址和段长度进行检查了，那么内存地址空间就得不到保护了。
而长模式下内存地址空间的保护交给了 MMU，MMU 依赖页表对地址进行转换，页表有特定的格式存放在内存中，其地址由 CPU 的 CR3 寄存器指向，这在后面讲 MMU 的那节课会专门讲。
mov eax, cr4
bts eax, 5 ;CR4.PAE = 1
mov cr4, eax ;开启 PAE
mov eax, PAGE_TLB_BADR ;页表物理地址
mov cr3, eax
加载 GDTR 寄存器，使之指向全局段描述表：
lgdt [eGdtPtr]
开启长模式，要同时开启保护模式和分页模式，在实现长模式时定义了 MSR 寄存器，需要用专用的指令 rdmsr、wrmsr 进行读写，IA32_EFER 寄存器的地址为 0xC0000080，它的第 8 位决定了是否开启长模式。
;开启 64位长模式
mov ecx, IA32_EFER
rdmsr
bts eax, 8 ;IA32_EFER.LME =1
wrmsr
;开启 保护模式和分页模式
mov eax, cr0
bts eax, 0 ;CR0.PE =1
bts eax, 31
mov cr0, eax
进行跳转，加载 CS 段寄存器，刷新其影子寄存器。
jmp 08:entry64 ;entry64为程序标号即64位偏移地址
切换到长模式和切换保护模式的流程差不多，只是需要准备的段描述符有所区别，还有就是要注意同时开启保护模式和分页模式。原因在上面已经说明了。

重点回顾

好，这节课的内容告一段落了，我来给你做个总结。
今天我们从一段死循环的代码开始思考，研究这类代码产生的问题和解决思路，然后一步步探索 CPU 为了处理这些问题而做出的改进和升级。这些功能上的改进和升级，渐渐演变成了 CPU 的工作模式，这也是系统开发人员需要了解的编程模型。这三种模式梳理如下。
1. 实模式，早期 CPU 是为了支持单道程序运行而实现的，单道程序能掌控计算机所有的资源，早期的软件规模不大，内存资源也很少，所以实模式极其简单，仅支持 16 位地址空间，分段的内存模型，对指令不加限制地运行，对内存没有保护隔离作用。
2. 保护模式，随着多道程序的出现，就需要操作系统了。内存需求量不断增加，所以 CPU 实现了保护模式以支持这些需求。
保护模式包含特权级，对指令及其访问的资源进行控制，对内存段与段之间的访问进行严格检查，没有权限的绝不放行，对中断的响应也要进行严格的权限检查，扩展了 CPU 寄存器位宽，使之能够寻址 32 位的内存地址空间和处理 32 位的数据，从而 CPU 的性能大大提高。
3. 长模式，又名 AMD64 模式，最早由 AMD 公司制定。由于软件对 CPU 性能需求永无止境，所以长模式在保护模式的基础上，把寄存器扩展到 64 位同时增加了一些寄存器，使 CPU 具有了能处理 64 位数据和寻址 64 位的内存地址空间的能力。
长模式弱化段模式管理，只保留了权限级别的检查，忽略了段基址和段长度，而地址的检查则交给了 MMU。

思考题

请问实模式下能寻址多大的内存空间？
期待你在留言区跟我交流互动，如果你身边有对 CPU 工作模式感兴趣的朋友，也欢迎把这节课的内容转发给他，我们一起学习进步。
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提建议

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 写留言

精选留言(152)

  • Vic
    置顶
    2021-05-26
    看了今天的课程和同学们的留言让我百感交集。 人的一生时间有限，无法什么都做到极致。但在摸索的过程是可以什么都去碰一下，才知道自己喜欢什么。我以为我不是那么喜欢计算机。我不是本科，是念电机工程的，已算是很相近的，比起念化学或是文史哲商等。但我仍然用了一堵高墙将自己围住，说自己不是纯正计算机本科的。 二十年前刚开始工作时有机会接触8051控制器，是用8051的汇编代码，花了不少时间把中断、寄存器研究过、因为8051只有8位元，相对简单，但没有操作系统，我开始对操作系统有兴趣，就开始自学x86的操作系统，买书来看，但真的看不懂，当时也没有互联网上这么多讯息，还买了minix的书来看，英文的书有多了一层外文的障碍，因为工作忙，也没实际用到，就这么放下了。 最近看到老师的这专烂，让我想到之前放弃了的操作系统的学习。 老师讲的实在太好了，给100个赞都不够。因为他是亲身实践过，而且表达力极佳。 过去不懂的，开始有一点看得懂了。但是真的是单纯因为老师讲的好我才看得懂吗？ 看到底下很多同学的留言，让我想起二十年前的自己。 这过程有点像是小学的数学学不明白，到了中学再回头看，竞然明白了。 其实是自己的理解增加了，我不想用聪明这个字，会误导很多人。 纠结在自己有没有天份。 我很认同老师在底下同学留言的回覆。 "不需要前置的知识"，"多看几遍"，"如果看到一个新东西 ，不要在意它叫什么，它叫什么都可以，而是要在意它是干什么的，它有什么作用。有了整体思路，再去扣细节。" 也不存在着需要什么条件，常常就是这种条件，自己把自己绊住了， 以为自己没有达到，就放弃了。或是就转移目标去完成那个条件，而忘了回来原来的操作系统的学习。 很多时候困难全是自己想出来的。觉得难，这是很正常的。 不必要对自己太严苛。可以稍微休息一下(我说稍微不是二十年)，做一下别的事，再回来。 每个人的情况都不一定，没有一个固定的方法或是习惯，只有问你自己。 因为太难就放弃，那就太可惜了。可以慢一点没关系，不要放弃。 想想自己为什么来上这个课，想要从这个课得到什么？ 如果是加薪，升官，学分或是为了下一门课会不会压力很大？ 如果只是因为好奇，这看起来还挺有趣，想了解一下，会让你更挺得住这些困难。 因为有这些难点本来就很正常，克服了，弄懂了一个信心就会增加，就会继续前进， 如果一开始不去克服那个难点，选择逃避或是绕路，那永远就是在原地打转。 如果这一篇让你觉得鸡汤或是说教，那不是我的本意。只是将自己过去有感而发写下的。我也还在学习。 谢谢老师带来亲身实践后这么精彩的课程，也谢谢同学们对我的启发，共勉之~
    展开

    作者回复: 你好，这个评论让我感到震撼，想必老哥之前也是认真研究过操作系统的人，才会有如此深刻的体会。一定是走了很多路才会有这样的启发和经验，我写这门的定位就是实战可能和学究派不同，我不讲虚的，只有让别人写出操作系统 ，这门课才达到了目标，也是对诸多同学的一个交付，谢谢你

    共 14 条评论
    195
  • pedro
    置顶
    2021-05-19
    这篇文章信息量很大，但是问题比较简单，我先回答一下问题吧。 实模式下的寻址空间跟地址总线的个数是密切相关的，早期的 x86 物理机，虽然寄存器是 16 位，但是地址总线却有 20 根，根据计算 2^20 = 1M，寻址空间肯定得有 1M 啊，但是寄存器只有 16 位，即 2^16，没有这么大的空间啊，臣妾办不到啊～ 那怎么办呢？聪明的 intel 工程师（挖坑师）想到了一个办法，即段寄存器左移 4 位，然后加上另外一个通用寄存器的值就可以组合出这个 20 位了，即 2^16 * 2^4 + 2*16，哦嚯一下子组装出来了。 这样 20 根地址总线都用上了，得到了 1M 的寻址空间，可把工程师给乐坏了。 但是，后面的事情大家都知道了，16 位不够了，32 位也不够了，在 64 位的情况下，完全不用考虑地址空间的大小问题了，变成了内存不够的问题了，而这个时候，保护模式下的虚拟地址映射又完美解决了这个问题（虚拟地址后面有），哟嚯，又把 intel 的这群挖坑师给乐坏了。
    展开

    作者回复: 哈哈

    共 19 条评论
    155
  • neohope
    置顶
    2021-05-23
    稍微总结一下： 1、x86 CPU的位数越来越高，从16到32到64，每次进步都尽量的去兼容了之前的CPU架构，所以： A、16位时寻址能力不足，所以要借助额外的寄存器进行1M空间的寻址；32位时，每个程序都有自己独立的4G寻址空间，操作系统用低位的1G-2G，其余留给用户程序；64位后，暂时就遇不到寻址能力不足的事情了； B、前一代的寄存器尽量保留，不够用就扩展新的 C、寄存器的长度升级后，其低位可以兼容上一代的寄存器 2、CPU同时在安全性上也要提升，从只有实模式【可以随意执行全部CPU指令，内存可以直接通过物理地址访问，随意访问随意读写】，到了32的保护模式【将指令划分为ring0到ring3，CPU指令不是你想调用就能调用；内存不是你想访问就能访问，首先CPU要允许，而且操作系统允许】，而64的长模式在安全方面与32并没有本至区别； 3、从实模式到保护模式，访问内存时，需要访问的地址变大了，需要控制的内容变多了，于是引入了段描述符，所有的段描述符组成了描述符表，包括唯一的全局描述符GDT和多个局部描述符号LDT。GDT是操作系统特供，要重点关注。CPU寻址的时候，要通过段寄存器+GDTR寄存器定位到的内存中的描述符，判断是否允许访问。然后，再根据段描述符中地址进行访问。 4、同时内存中内存管理有段、页、段页三种常用模式。一般在应用层，程序员感受不太到，操作系统全给咱们做完了。 5、中断，其实是通过硬件或软件方式告诉CPU，来执行一段特殊的代码。比如咱们键盘输入，就是通过硬件中断的方式，告知操作系统的。在实模式下，中断是直接执行的。但到了保护模式和长模式下，就要特权级别校验通过才能执行，所以引入了中断门进行控制。在ring3调用中断一般是要通过操作系统切换到内核态ring0进行的，与内存类似，要通过中断向量表，确认中断门中权限是否允许，然后定位到指定代码执行。 6、BIOS引导后，系统直接进入最简单、特权最大的实模式；而后告知CPU，切换到保护模式，并运行在ring0。后续的用户进程，一般就在ring3，想执行特权指令要通过操作系统来执行。
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    编辑回复: 很感谢你的分享和总结，66666～

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    141
  • 李军
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    2021-05-19
    搞java的我，表示没看懂

    编辑回复: 如果看到一个新东西 ，不要在意它叫什么，它叫什么都可以，而是要在意它是干什么的，它有什么作用。有了整体思路，再去扣细节。

    共 10 条评论
    52
  • Freddy
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    2021-05-26
    这节CPU三种工作模式，确实信息量比较大； 第一遍扫完后，发现好多细节都没有太懂； 第二遍精读，每句话，每个图，每行代码都一一理解后，再往下进行，龟速，需要很好的耐心，中间偶尔还要停顿信息，放松下大脑。这一边用了2-3个小时； 现在终于有感觉了； 看到长模式下，段描述符中不在有段基地址和段内偏移，就会去想那如何用段描述符定位内存中的数据呢？ 这时就想到了操作系统里面的页面。。。 果然下面的文字就提到了MMU和TLB 激活了我多年没有用过的操作系统课知识点
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    作者回复: 你好，是的，你学习方法很好。值得点赞和推广

    10
  • 云师兄
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    2021-05-19
    内容硬核，已啃三遍！

    作者回复: 坚持 就会 明白 不错哦

    10
  • Geek_a5edac
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    2021-05-30
    之前看过深入理解linux内核，但缺少模型上的分析，从书本从头看到尾反反复复最终似懂非懂，看了该系列整体上清晰多了，有了比较清晰的知识结构。而且因为之前有了解过相关概念，所以看此篇很快，倒没啥压力了哈哈

    编辑回复: 6666，很高兴对你有帮助！看得出你的功底很扎实，继续加油

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    5
  • 李军
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    2021-05-19
    汇编看不懂，还有x86平台也不懂，请问可以从哪里入手下？

    编辑回复: 小编指路，根据群聊分享，汇编可以参考《汇编程序设计》（王爽）。 不用太过担心，汇编只占很少一部分，先理解课程整体思路。另外，你现在不理解具体寄存器的细节，也不会影响对整个课程的学习，别慌。

    共 5 条评论
    1
  • 尼欧
    2021-05-19
    建議大家讀讀李忠老師的《穿越計算機的迷霧》，學習一點硬件原理，對後續學習會有很大幫助。很薄的小冊子，三兩天就能讀完。

    作者回复: 66666 这个不错

    共 4 条评论
    21
  • 马杰
    2021-07-14
    看到后面，回头再看一遍，记点笔记。 实模式，保护模式，长模式，逐渐演进 1、实模式： (1)代码段地址+左移4位+ IP = 取指 数据段+左移4位+ 通用寄存器值 = 数据地址 栈段SS+左移4位 + SP = 栈地址 (2)实模式中断： 中断号+ IDTR 寄存器(指向中断表的地址和长度) ---> 根据中断号，找到中断表中的对应条目 ---> 解析出中断函数基地址填充CS、中断函数偏移填充IP ---> 响应中断。 2、保护模式： (1)保护模式寄存器：通用寄存器，IP，SP 16位->32位。添加了EFLAGS cpu标志寄存器和几个cpu控制寄存器。 CS DS SS 中改为存放内存段的索引，用于寻找内存中的段描述符。 (2)保护模式下，R0 -- R3的特权级别访问。通过内存中存放64位段描述符实现特权划分，段地址寻址。 CS | DS | SS （段描述符索引）+ GDTR（指向全局段描述符表基地址） -- > 找到段描述符 --> 解析代码段还是数据段，地址，访问权限 其中影子寄存器 : 通过硬件实现，是段描述符的高速缓存, 防止反复读内存，提高效率。 权限问题：当前执行程序的CS RPL、SS RPL = CPL, 要访问的段描述符中拿到DPL， CPL > DPL 禁止程序访问目标段， CPL <= DPL , 可以访问 (3)保护模式的平坦模型: 段基址为0，段长度为4G的特殊段管理模式，规避历史原因导致的分段模型缺陷。 (4)保护模式中断:中断号+ IDTR 寄存器(指向中断表) ---> 根据中断号，找到中断表指向的内存中的中断门描述符 ---> 中断门和中断描述符中段选择子的权限检查--> 中断门描述符中目标代码段选择子填充CS， 目标代码段偏移填充EIP ---> 响应中断。 权限问题：当前CPL小于等于中断门DPL，才可进中断门，当前CPL，大于段选择子的DPL，则设置CPL=段选择子DPL。 例：当前运行代码CPL=R3级别，遇R3中断门进门，执行特权级中断程序R0，此时CRL=R0。 (5) 切换保护模式： 准备全局描述附表GDT， GDTR指向GDT， 设置CR0开启保护模式， 执行长跳转,CPU根据8索引值索引GDT中第二条数据，加载CS 3、长模式： （1）寄存器扩展到64位 （2）长模式段描述符, L=1，D/B=0 时是64 位代码段， L ， D/B, 无效是数据段 （3）长模式中断：中断们描述符比保护模式多了8字节64位，用于存放64位的目标代码段偏移多出来的高32位。 其他中断过程同保护模式。 （4）长模式切换：准备长模式全局段描述符表, 准备长模式下的MMU页表,开启分页模式 CR3指向页表物理地址 GDTR指向全局段描述符表 IA32_EFER寄存器第8位开启长模式，CR0寄存器= 0x31开启保护模式和分页模式 进行跳转，索引GDT， 加载 CS 段寄存器，刷新其影子寄存器 （5）长模式弱化段模式管理，只保留了权限级别的检查，忽略了段基址和段长度，而地址的检查则交给了 MMU，分页管理。
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    作者回复: 对的，总结到位

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    17
  • 繁雨落❤伤
    2021-05-19
    顶不住了🥲

    编辑回复: 相信自己，这篇比较难，但挺过去就好了。你可以多看几遍，有疑问也可以提出交流。

    12
  • Xavierhu
    2021-05-19
    实模式下：段基地址左移4位，形成20位基地址。然后加上偏移量16位，最终形成20位物理地址……可寻址1MB

    作者回复: 66666 正确的

    共 2 条评论
    8
  • Fan
    2021-05-19
    总结一下： CPU工作模式：执行程序的三种模式1. 实模式 2.保护模式3.长模式 然后讲述了每种模式下CPU的两种重要的功能 访问内存以及中断。
    7
  • 刘恒
    2021-05-19
    像天书。。。

    作者回复: 多啃几遍 就会明白的 哈哈

    共 2 条评论
    7
  • 小灰灰。
    2021-05-19
    解决了读其他书留下的不少困惑

    作者回复: 能帮助到你就好

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  • 不写出操作系统不改名
    2021-11-05
    之前我一直想不明白，为什么段寄存器里面的值左移4位再加上16位的偏移地址就能访问全部的1M空间了。为什么不直接借用段寄存器里面的高4位或是低4位，或是其他体位的4位来和另一个寄存器的16位凑成20位去访问，因为这样拼凑位的作法很多地方都有，这样也是20位啊。干吗非要左移4位呢？段寄存器左移之后的值表示什么意思呢？回答这些问题可以这样想，段寄存器里面的值相当于是一个索引值，把它左移4位相当于乘以了16。即段寄存器值为0，对应物理地址上是0，段寄存器的值为1，对应物理地址为0x10H。。。。以此类推。也就是说，20位地址总线能访问的1MB空间里，每隔16个字节就是一个段的起始位置。只要使用段模式管理，那么每个段的起始位置就固定死了，地址值是16的倍数的都可以作为一个段的起始地址。然后再配合另一个寄存器的16位偏移，这样的话，在最大64k的段内空间，理论上就会出现和很多个其他的段重叠，应该是有64*1024/16-1个段，当然我们可以贴心的选择让不同的段与段之间避开重叠，这只是做不做的问题，而不是能不能做的问题。如果向左偏移5位，那就是2^5=32，即每隔32个字节就是一个段的起始位置。
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    作者回复: 哈哈 深入思考了

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  • LT
    2021-05-22
    提一个建议，理工科的东西不自己动手，是无法完全弄懂的。老师能不能部署一些上机的题，有兴趣的同学可以做一下，然后分享，老师来评点和提改进议见。对于其它人也是一次学习的机会。

    作者回复: 从第十节开始 全部是实践

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  • LT
    2021-05-21
    这三个模式讲得好，讲清了问题的根源。对于以前没有研究这个东西的同学来讲，这讲的确难。 “最后做权限检查，如果 CPL 小于等于中断门的 DPL 并且 CPL 大于等于中断门中的段选择子，就指向段描述符的 DPL。” 如果CPL=3， 中断门的 DPL=3， 中断门中的段选择子的RPL为0，相当于从用户态到内核进行了一次调用； 但如果CPL=0， 中断门的 DPL=0， 中断门中的段选择子的RPL为3，这应该是非法的，系统会panic。有办法在内核态访问用户态的数据或者执行用户态的代码吗？如果有，其原理是如何的？
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    作者回复: 中断门 设为 DPL3 就能访问了 但这个动作 最终会被 cpu截获 路由到OS手中

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  • Geek_8f064e
    2021-05-19
    这一章就是一本书啊

    作者回复: 哈哈 是的 浓缩就是精华

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  • 杨军
    2021-05-19
    当 CPL 大于目标段 DPL 时，则 CPU 禁止访问，只有 CPL 小于等于目标段 DPL 时才能访问。 这个CPL、DPL应该是CPL数值、DPL数值吧？

    作者回复: 对的 对的

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