操作系统的实模式与保护模式

什么是实模式与保护模式

简单说，实模式和保护模式最大的区别在寻址大小的区别。对于实模式，只能寻址 1M，每个段最多 64K，系统刚启动的时候就是实模式，不过很短暂，另一种是保护模式，对于 32 位系统，能够寻址 4G。

为什么要分成实模式与保护模式

因为历史原因，操作系统需要兼容之前的处理器。当系统刚刚启动的时候，CPU 是处于实模式的，这个时候和原来的模式是兼容的，只不过这个过程很短暂，很快切入到了保护模式而已。
我们知道x86 中最经典的一款处理器，8086 处理器，8086 的地址总线地址是 20 位。怎么凑够这 20 位呢？方法就是“起始地址 *16+ 偏移量”，也就是把 CS 和 DS 中的值左移 4 位，变成 20 位的，加上 16 位的偏移量，这样就可以得到最终 20 位的数据地址，这样他的寻址能力也就是2^20=1M。
由于偏移量只能是 16 位的，所以一个段最大的大小是 2^16=64k。在而到了32 位处理器中，有 32 根地址总线，可以访问 2^32=4G 的内存。
所以在 32 位的系统架构下，前一种模式称为实模式，后一种模式称为保护模式。

寄存器类型

要了解操作系统的工作模式，首先要牢记寄存器的类型和作用，如下图所示：

image.png

段寄存器

我们知道每个进程都分代码段和数据段，为了指向不同进程的地址空间，有四个 16 位的段寄存器，分别是 CS、DS、SS、ES。
CS 就是代码段寄存器（Code Segment Register），通过它可以找到代码在内存中的位置。
DS （Data Segment）是数据段的寄存器，通过它可以找到数据在内存中的位置。
SS 是栈寄存器（Stack Register），栈是程序运行中一个特殊的数据结构，数据的存取只能从一端进行，秉承后进先出的原则，push 就是入栈，pop 就是出栈。
ES（Extra Segment）：附加段寄存器，存放当前执行程序中一个辅助数据段的段地址。

通用寄存器

为了暂存数据，8086 处理器内部有 8 个 16 位的通用寄存器，也就是刚才说的 CPU 内部的数据单元，分别是 AX、BX、CX、DX、SP、BP、SI、DI。这些寄存器主要用于在计算过程中暂存数据。
这些寄存器比较灵活，其中 AX、BX、CX、DX 可以分成两个 8 位的寄存器来使用，分别是 AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL，其中 H 就是 High（高位），L 就是 Low（低位）的意思。

IP寄存器

还有一种寄存器叫IP （Instruction Pointer Register)寄存器，就是指令指针寄存器，指向代码段中下一条指令的位置。CPU 会根据它来不断地将指令从内存的代码段中，加载到 CPU 的指令队列中，然后交给运算单元去执行。

实模式与保护模式的切换

上面讲到了，系统刚启动的时候是实模式的，不过很快会进入保护模式，启动的过程比较复杂，我通过一个图总结：