图解CPU的实模式与保护模式

小熊奈奈子

作者：小牛呼噜噜

大家好，我是呼噜噜，由于x86保护模式是比较复杂晦涩的，所以特地单拉出来，实模式和保护模式一个重要的更新就是对内存的管理与保护，并且随着软件的发展，为了极致地压榨CPU的性能，硬件和软件都做出了许多努力，为了更好的管理内存，引入分段，分页，段页等等。本文会沿着内存的主线，穿插于实模式和保护模式之间，并结合历史渊源，更好地讲解这里面的发展与变化。
实模式

代号8086

当计算机启动时，实模式运行的时间对我们人来说是无感的，但是并不是其不重要，本文笔者想讲的故事，它的起点来源一个产品，一个划时代芯片，8086，其是Intel公司推出的最早，也是最流行的面向个人电脑的CPU型号

我们可以看到上图有10个引脚，由于芯片是对称的，所以8086芯片一共(只)有20个引脚。不像现在的CPU那样成百上千的都有，脚这么多可不仅仅是为了爬得快
我们一起来看下8086的引脚图：

这些引脚有哪些作用？主要有下面这几种：

• 电源线Vcc(40)，地线GND（1和20）
  
• 地址/数据引脚
  

• 地址/数据 分时复用引脚AD15-AD0（39，2-16）：传送地址时单向输出，传送数据时双向输入或输出
  
• 地址状态 分时复用引脚A19/S6～ A16/S3（35-38）：输出、三态引脚。T1状态做地址线，T2-T4状态用于输出状态信息
  
• 所谓分时复用就是在同一根传输线上，在不同时间传送不同的信息，所以8086对应的地址线16+4=20根
  

• 控制引脚
  

1. NMI（17）：非屏蔽中断请求信号，不受IF影响，此信号一出现，当前指令，执行结束后立即进行中断处理。
2. INTR（18）：可屏蔽中断请求信号，输入高电平有效。
3. CLK（19）：系统时钟，输入
4. RESET（21）：复位信号，输入，高电平有效。复位信号使处理器马上结束现行操作，对处理器的内部寄存器进行初始化
5. READY（22）：数据准备好信号线，输入，高电平有效，由存储器或I/O端口发来。CPU在每个总线周期的T3状态对READY采样，若为低电平，则自动插入一个或几个等待状态Tw，直到变为高电平才能进入T4状态
6. TEST（23）：等待测试信号，输入，CPU执行 WAIT指令时，每隔5个时钟周期对引脚进行一次测试，若为高电平，CPU处于等待状态；低电平时执行下一条指令。
7. RD（32）：读控制信号，输出。RD=0，表示执行一个对存储器或I/O端口的读操作。
8. BHE/S7（34）：高八位数据总线允许/状态复用引脚输出。
9. MN/MX（33）：最小/最大工作方式控制信号，输入。接高电平时为最小工作方式。
10. ...大家了解一下即可

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这里需要特别注意地址总线，我们知道CPU除了还能访问内存，还能访问硬件，这些都是通过总线来实现的。
总线是贯穿整个系统的是一组电子管道，是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质，称作总线，它携带信息字节并负责在各个计算机部件间传递。总线按系统总线传输信息内容的不同，可以分为3 种：数据总线、地址总线和控制总线。

我们可以发现8086的寻址空间是1M，这个是怎么得来的呢？寻址空间主要受地址总线宽度影响，地址总线宽度20，也就表示有20根地址线，又因为内存的单位是字节Byte,所以2^20B=1024KB=1MB

对总线感兴趣地，拓展可见：什么是计算机中的高速公路-总线？

分段机制

由于8086那个时代CPU、内存都很昂贵， CPU 和寄存器等宽度都是 16 位的，在段不重叠的情况下，能表示的最大地址0xFFFF,最大可寻址2^16=64KB，然而8086有20根地址线，可寻址的最大内存空间是1MB。CPU和寄存器的寻址能力远远不能满足使用
所以Inte工程师们耗尽头发，发明了分段技术，将内存分为一个个"段"，段最大可为64KB，段由三部分组成：

• 段基址（Base address）：段的初始地址
  
• 段界限（limit）：表示段的长度，段界限决定了偏移量的最大值，也就是段内偏移最大能够寻址到的位置，
  
• 段属性（Attributes）：表示段的属性，比如是否可读，可写，权限等
  

那么16 的位的寄存器究竟该如何能访问20位的地址空间呢？

计算方式是： 实际物理地址 = segment段基址