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保护模式下寻址

2010-05-31 17:33 183 查看

保护模式下寻址
2009年08月25日星期二 10:20

段机制轻松体验
内存寻址：
实模式下的内存寻址：
让我们首先来回顾实模式下的寻址方式
段首地址×16＋偏移量＝物理地址
为什么要×16？因为在8086CPU中，地址线是20位，但寄存器是16位的，最高寻址64KB，它无法寻址到1M内存。于是，Intel设计了这种寻址方式，先缩小4位成16位放入到段寄存器，用到时候，再将其扩大到20位，这也造成了段的首地址必须是16的倍数的限制。
公式：xxxx:yyyy
保护模式下分段机制的内存寻址：
分段机制是利用一个称作段选择符的偏移量，从而到描述符表找到需要的段描述符，而这个段描述符中就存放着真正的段的物理首地址，再加上偏移量
一段话，出现了三个新名词：
段选择子
描述符表
段描述符
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我们现在可以这样来理解这段话：
有一个结构体类型，它有三个成员变量：
段物理首地址
段界限
段属性
内存中，维护一个该结构体类型的数组。
而分段机制就是利用一个索引，找到该数组对应的结构体，从而得到段的物理首地址，然后加上偏移量，得到真正的物理地址。
公式：xxxx:yyyyyyyy
其中，xxxx也就是索引，yyyyyyyy是偏移量（因为32位寄存器，所以8个16进制）xxxx存放在段寄存器中。
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现在，我们来到过来分析一下那三个新名词：
段描述符：一个结构体，它有三个成员变量：
段物理首地址
段界限
段属性
描述符表：也就是一个数组，什么样的数组呢？是一个段描述符组成的数组。
段选择子：也就是数组的索引，但这时候的索引不在是高级语言中数组的下标，而是我们将要找的那个段描述符相对于数组首地址（也就是全局描述表的首地址）偏移位置。
就这么简单，如图：

图中，通过Selector（段选择子）找到存储在Descriptor Table（描述符表）中某个Descriptor（段描述符），该段描述符中存放有该段的物理首地址，所以就可以找到内存中真正的物理段首地址Segment
Offset（偏移量）：就是相对该段的偏移量
物理首地址＋偏移量就得到了物理地址    本图就是DATA
但这时，心细的朋友就发现了一个GDTR这个家伙还没有提到!
我们来看一下什么是GDTR
Global Descriptor Table Register（全局描述符表寄存器）
但是这个寄存器有什么用呢？
大家想一下，段描述符表现在是存放在内存中，那CPU是如何知道它在哪里呢？所以，Iterl公司设计了一个全局描述符表寄存器，专门用来存放段描述符表的首地址，以便找到内存中段描述符表。
这时，段描述符表地址被存到GDTR寄存器中了。
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好了，分析就到这，我们来看一下正式的定义：
当x86 CPU 工作在保护模式时，可以使用全部32根地址线访问4GB的内存，因为80386的所有通用寄存器都是32位的，所以用任何一个通用寄存器来间接寻址，不比分段就可以访问4G空间中任意的内存地址。
但这并不意味着，此时段寄存器就不再有用了。实际上，段寄存器更加有用了，虽然再寻址上没有分段的限制了，但在保护模式下，一个地址空间是否可以被写入，可以被多少优先级的代码写入，是不是允许执行等等涉及保护的问题就出来了。要解决这些问题，必须对一个地址空间定义一些安全上的属性。段寄存器这时就派上了用场。但是设计属性和保护模式下段的参数，要表示的信息太多了，要用64位长的数据才能表示。我们把着64位的属性数据叫做段描述符，上面说过，它包含3个变量：
段物理首地址、段界限、段属性
80386的段寄存器是16位（注意：通用寄存器在保护模式下都是32位，但段寄存器没有被改变）的，无法放下保护模式下64位的段描述符。如何解决这个问题呢？方法是把所有段的段描述符顺序存放在内存中的指定位置，组成一个段描述符表（Descriptor Table）；而段寄存器中的16位用来做索引信息，这时，段寄存器中的信息不再是段地址了，而是段选择子（Selector）。可以通过它在段描述符表中“选择”一个项目已得到段的全部信息。
那么段描述符表存放在哪里呢？80386引入了两个新的寄存器来管理段描述符，就是GDTR和LDTR，（LDTR大家先忘记它，随着学习的深入，我们会在以后学习）。
这样，用以下几步来总体体验下保护模式下寻址的机制
1、段寄存器中存放段选择子Selector
2、GDTR中存放着段描述符表的首地址
3、通过选择子根据GDTR中的首地址，就能找到对应的段描述符
4、段描述符中有段的物理首地址，就得到段在内存中的首地址
5、加上偏移量，就找到在这个段中存放的数据的真正物理地址。
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好的，那我们开始编码，看看如何实现先前描述的内容

首先，既然我们需要一个数组，全局描述符表，那我们就定义一块连续的结构体：
[SECTION .gdt]    ;为了代码可读性，我们将这个数组放到一个节中
；由一块连续的地址组成的，不就是一个数组吗？看下面代码，^_^
段基地址    段界限段属性
GDT_BEGIN: Descriptor 0,       0,    0
GDT_CODE32: Descriptor 0,    0,    DA_C
;上面，我定义了二个连续地址的结构体，大家先认为Descriptor就是一个结构体类型，我们会在以后详细讲述
；第一个结构体，全部是0，是为了遵循Interl规范，先记得就OK
；第二个定义了一个代码段，段基地址和段界限我们暂且还不知道，先初始化为0，但是因为是个代码段，代码段具备执行的属性，那么DA_C就代表是一个可执行代码段，DA_C是一个预先定义好的常量，我们会在详细讲解段描述符中讲解。

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我们继续来实现，那么下面，我们就需要设计段选择子了，因为上面代码已经包含了段描述符和全局描述符表
还记得选择子是个什么东西吗？
段选择子：      也就是数组的索引，但这时候的索引不在是高级语言中数组的下标，而是我们将要找的那个段描述符相对于数组首地址（也就是全局描述表的首地址）偏移位置。
看我代码怎么实现，包含以上代码不再说明:
[SECTION .gdt]
GDT_BEGIN: Descriptor 0, 0, 0
GDT_CODE32: Descriptor 0, 0, DA_C
;下面是定义代码段选择子，它就是相对数组首地址的偏移量
SelectorCode32 equ    GDT_CODE32 - GDT_BEGIN
;因为第一个段描述符，不被使用，所以就不比设置段选择子了。
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偏移地址：
注意一点，我们在程序中使用的都是偏移地址，相对于段的偏移地址，用上面的例子来说，象 GDT_CODE32 GDT_BEGIN 这些结构体的首地址都是相对于数据段的偏移量。什么意思呢？
因为我们的程序到底加载到内存的哪个地方是不固定，不知道的，只需使用偏移地址操作就行了，如：
SelectorCode32 ，它本身就是一个偏移地址
但是SelectorCode32    equ GDT_CODE32 - GDT_BEGIN
怎么解释呢？
GDT_CODE32是相对于数据段的偏移量，
GDT_BEGIN也是相对于数据段的偏移量，虽然它是数组的首地址，说的罗索一些，GDT_BEGIN是数组的首地址，但是它是相对于数据段的偏移量
那么两个偏移量相减就是GDT_CODE32 相对于GDT_BEGIN的偏移量
所以，我们要时时刻刻记得，在程序中，我们永远使用的是偏移量，因为我们不知道程序将要被加载内存那块地方。
好了，基础也学的差不多了，下面我们要自己动手写一段程序，实现实模式到保护模式之间的跳转

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标签： descriptor table 语言存储工作 c

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