5.7.180x86存儲(chǔ)管理的特點(diǎn)

80x86微處理器有實(shí)地址、保護(hù)虛地址和虛擬8086　三種模式的存儲(chǔ)管理機(jī)制。

實(shí)地址模式是CPU初始化后工作的基本模式，它相當(dāng)于一個(gè)高速的8086CPU。在實(shí)地址模式下，系統(tǒng)32位地址總線只能使用低20位（即 A19～A0），可尋址的有效地址空間為1MB。實(shí)地址模式下不支持虛擬存儲(chǔ)器管理方式，程序只能在實(shí)地址空間內(nèi)運(yùn)行，由于CPU中用來尋址的寄存器是 16位，為了能尋址1MB的內(nèi)存空間，實(shí)地址模式存儲(chǔ)器采用分段的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行管理。但這種分段方式與虛擬存儲(chǔ)器中的分段方式概念不同，前者指的是對實(shí)存 （內(nèi)存）空間的分段，而后者指的是對虛存空間的分段。

保護(hù)虛地址模式引入了虛擬存儲(chǔ)器的概念，可支持多任務(wù)操作。在保護(hù)模式下，32 位CPU可訪問的物理存儲(chǔ)空間為4GB（232字節(jié)），程序可用的虛擬存儲(chǔ)空間為64TB（246字節(jié)）。保護(hù)模式支持4種特權(quán)級，可以隔離和保護(hù)操作系 統(tǒng)的核心代碼不受用戶軟件的破壞，防止應(yīng)用程序之間的干擾。

虛擬8086模式是一種既有保護(hù)功能又能執(zhí)行16位微處理器軟件的工作方式。虛擬8086模式的工作原理與保護(hù)模式相同，但程序指定的邏輯地址解釋與8086微處理器相同。虛擬8086模式可以看做是保護(hù)模式的一種子方式。

80x86微處理器的實(shí)地址存儲(chǔ)器管理方式已在第2章中做過詳細(xì)介紹，本節(jié)重點(diǎn)討論保護(hù)模式和虛擬8086模式存儲(chǔ)器管理方式。

5.7.280x86保護(hù)模式存儲(chǔ)管理

80x86微處理器工作在保護(hù)模式時(shí)對存儲(chǔ)器的管理有兩個(gè)特點(diǎn)：一是引入了分段分頁虛擬存儲(chǔ)器管理機(jī)制、二是引入了對存儲(chǔ)器的保護(hù)機(jī)制。

1.分段分頁存儲(chǔ)器管理

32位微處理器的虛擬存儲(chǔ)空間最大可達(dá)64TB（246字節(jié)），使用46位虛擬地址，采用分段分頁管理機(jī)制，段的最大長度為4GB，段數(shù)最大可達(dá)16K 個(gè)。頁的大小因CPU不同而異：80386/80486每頁固定在4KB。Pentium允許頁面擴(kuò)大到4MB，由控制寄存器CR4中的第4位PSE來控 制頁的大小。當(dāng)PSE為1時(shí)，頁面大小為4MB；當(dāng)PSE為0時(shí)，頁面大小為4KB。

分段分頁存儲(chǔ)器工作原理與上節(jié)介紹的相同：首先 將虛擬地址空間分成若干個(gè)大小不等的邏輯段，邏輯地址由間接指向段基址的16位段選擇符和32位段內(nèi)偏移量兩部分組成，并由分段機(jī)制將46位邏輯地址轉(zhuǎn)換 為32位線性地址（線性地址空間是一個(gè)不分段的、連續(xù)的地址空間地址空間的轉(zhuǎn)換），然后再將線性地址空間等分為固定大小的若干頁，將線性地址用頁基址和頁 內(nèi)偏移量表示，以頁為單位進(jìn)行地址映射，并由分頁機(jī)制將32位線性地址轉(zhuǎn)換為32位物理地址。

2.分段方式中的地址轉(zhuǎn)換

分段方式中的地址轉(zhuǎn)換原理如虛線左側(cè)部分所示。程序中的邏輯地址由16位段選擇符（通過段選擇符可獲得32位段基址）和32位段內(nèi)偏移量構(gòu)成。邏輯地址 中的16位段選擇符在程序執(zhí)行時(shí)裝載到相應(yīng)的段寄存器CS、DS、SS、ES、GS、FS中，用來選擇邏輯地址空間中的一個(gè)特定的段；32位偏移量由指令 中的尋址方式給出。

段選擇符16位長：13位索引（Index）、1位表選擇位（TI）和2位請求特權(quán)級（RPL）。其中，請求特權(quán)級不用于段選擇，即16位中只有14位用于段選擇，可尋址16K個(gè)邏輯段，加上每個(gè)段最大可達(dá)4GB，使32位微處理器的虛擬存儲(chǔ)空間可達(dá)64TB。

由程序給出的邏輯地址通過描述符表中的描述符數(shù)組進(jìn)行轉(zhuǎn)換。邏輯地址在段寄存器CS、DS、ES、SS、FS、GS中的選擇符用做在全局描述符表GDT 或局部描述符表LDT中索引段描述符。每當(dāng)段選擇符裝入段寄存器時(shí)，由索引指向的段描述符自動(dòng)從TI位所選定的GDT或LDT中取出，段描述符中的32位 段基址與邏輯地址中的32位偏移量相加即得到32位線性地址。若不啟用分頁機(jī)制（控制寄存器CR0的PG0）時(shí)，線性地址就是物理地址。

3.分頁方式中的地址轉(zhuǎn)換

當(dāng)控制寄存器CR0的PG位置1時(shí)，就啟用了分頁存儲(chǔ)器管理機(jī)制，它自動(dòng)地把線性地址空間中的任何一頁映射到物理空間的一頁，將線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址。

分頁方式中的線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換是由駐留在內(nèi)存中的頁表來完成的。為了節(jié)省頁表所占的內(nèi)存空間，32位CPU采用兩級頁表機(jī)構(gòu)：第一級用210個(gè) 表項(xiàng)構(gòu)成頁目錄表，每項(xiàng)4個(gè)字節(jié)，共有1024項(xiàng)，占4KB內(nèi)存，其物理基址由CR3控制寄存器提供；第二級也是由210個(gè)表項(xiàng)構(gòu)成頁表，每項(xiàng)也是4個(gè)字 節(jié)，最多1024個(gè)頁表，占4KB內(nèi)存。這樣，兩級頁表組合起來只占8KB內(nèi)存，即可描述220個(gè)表項(xiàng)。