x86保护模式下寻址

保护模式(Protected Mode):是一种80286系列和之后的x86兼容cpu的运行模式。保护模式有一些新特性,如内存保护、标签页系统及虚拟内存。现在的大多数x86操作系统都在保护模式下运行。

下面先给出保护模式下寻址的整体框架:


286CPU在保护模式下的寻址

选择符(Selctor)

  • 存放在段寄存器
  • 用于选择某个描述符表(Descriptor Table)中的描述符(Descriptor)
格式:
选择符
  • INDEX指示描述符在描述符表中的位置。
  • TI定义描述符表。置1指示描述符在当前局部描述符表LDT中,置0指示描述符在全局描述符表GDT中。
  • RPL指示请求特权级0~3.

描述符(Descriptor)

  • 详细定义一个段的起始地址、界限、属性等内容。
  • 包括32位段基址、20位段界限以及12位的其他附属标志。
  • x86存储管理硬件管理64T虚拟地址空间分段的基本单位。
  • 多个描述符构成描述符表。
分类:
描述符分类
格式:
程序段描述符
  • 基地址(32位):指示段基址,允许段在其4G字节存储器的任何单元开始。
  • 段界限:指示该存储段的最大偏移地址。1MB或1MB*4K
  • G:段界限长度标志。置1表示界限长度以4K为单位,段长[4K,4G].置0表示界限以字节为单位,段长[1,1M].
  • D:指令模式标志。置1,32位指令模式。置0,64位指令模式。
  • AV:段有效标志。置1,指示段有效。置0,指示段无效。
  • P:选择符有效指示位。置1,表示选择符定义的段在存储器中存在。
  • DPL:设置描述符特权级0~3.0最高,3最低。一个任务可以访问相同或低特权级的数据段,可以调用相同特权级的程序,可以经过门间接访问更高特权级的段。
  • DT:定义描述符类型。置1,表示程序段(数据或代码段)描述符。置0,系统描述符或门描述符。
位说明
位功能组合
系统段描述符
门描述符
段描述符高速缓冲寄存器

在保护模式下,32位微处理器为每个段寄存器(CS、DS、ES、SS...)以及部分系统地址寄存器(TR、LDTR)都配备了一个描述符高速缓冲寄存器。
每当把一个选择符装入一个段寄存器时,微处理器自动从描述符表取出相应的描述符,装入对应的描述符高速缓冲寄存器中,以后再对该段访问时直接从描述符高速缓冲寄存器中取。


描述符表(Descriptor Table)

把描述符组织成线性表,叫做描述符表。
其在内存中的位置(32位)和大小(16位)由系统地址寄存器(GDTR、LDTR、IDTR)指示。

分类:
  • 全局描述符表GDT
  • 局部描述符表LDT
  • 中断描述符表IDT

由于描述符表界限用16为表示,故表长最大64K字节,每个描述符占8个字节,所以全局描述符表和局部描述符表最多存放8K个描述符,中断描述符最多存放256个中断描述符。

全局描述符表GDT
  • 整个系统只有一个
  • (公共的)每个任务都可能或可以访问的段描述符
  • (自己的)各个任务的TSS段描述符、LDT所在的段描述符、各种调用门、任务门描述符。
  • GDTR存储其位置
局部描述符表LDT
  • 描述局部存储器地址空间
  • 每个任务都有自己独立的局部描述符表
  • 包括自己的代码段、数据段、堆栈段描述符,以及该任务使用的门描述符。
  • 位置由LDTR间接说明
中断描述符表IDT
  • 包含中断门、陷阱门和任务门描述符
  • 门描述符提供中断服务程序的起始地址及属性。
  • 整个系统只有一个

任务状态段

包含任务所必须的信息,如访问某个寄存器状态的初始值。
任务切换过程中实现任务的挂起和恢复。

格式:
寻址:
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