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在上一篇中提到了x86 保护模式，那么什么是保护模式， 本文很好的梳理了保护模式和实模式。
实模式与保护模式的来历
最早期的8086 CPU只有一种工作方式，那就是实模式，而且数据总线为 16位，地址总线为20位，实模式下所有寄存器都是16位。而从80286开始就有了保护模式，从80386开始CPU数据总线和地址总线均为32位，而且寄存器都是32位。但80386以及现在的奔腾、酷睿等等CPU为了向前兼容都保留了实模式，现代操作系统在刚加电时首先运行在实模式下，然后再切换到保护模式下运行。
实模式寻址方式
刚才说了8086 CPU数据总线为16位，也就是一次最多能取2^16＝64KB数据，这个数据也解释了实模式下为什么每个段最大只有64KB。但刚才还说了其地址总线为20位，这样它能寻址的能力其实是2^20=1MB，这也就是实模式下CPU的最大寻址能力。既然它有1MB寻址能力，那怎么用16位的段寄存器表示呢？
这就引出了分段的概念，8086CPU将1MB存储空间分成许多逻辑段，每个段最大限长为64KB（但不一定就是64KB）。这样每个存储单元就可以用“段基地址+段内偏移地址”表示。段基地址由16位段寄存器值左移4位表达，段内偏移表示相对于某个段起始位置的偏移量。比如：
SEG=0x07c0
jmpi offset, #SEG
offset: mov ax,cs
保护模式寻址方式
在定义“逻辑地址”时看到保护模式和实模式的区别在于它是用段选择符而非段基地址，这也许就是保护模式的真谛所在，从段入手，全面理解保护模式编程基本概念和寻址方式。
1.段的定义
段是虚拟地址到线性地址转换的基础，段的特征有以下三个：段基址，段限长，段属性。这三个特征存储在段描述符（segment descriptor）之中，用以实现从逻辑地址到线性地址的转换。段描述符存储在段描述符表（desriptor
table）之中，通常，我们使用段选择符定位段描述符在这个表中的位置。每个逻辑地址由16位的段选择符+32位的偏移量组成。
逻辑地址转换成线性地址的原理和过程如下：
段描述符表存放在由操作系统维护着的特殊数据结构之中，由处理器的内存管理硬件来引用。虚拟地址空间被分割成大小相等的两半，一半由GDT来映射，一半由LDT来映射。整个虚拟地址空间还有2的14次方个段，一半是由GDT映射的全局虚拟地址空间，一半是由LDT映射的局部虚拟地址空间。系统发生任务切换的时候，会更新任务的LDT。 每个系统必须定义一个GDT，用于系统中的所有任务和程序。可选择性定义若干个LDT。GDT本身不是一个段，而是线性地址空间的一个数据结构；GDT的线性基地址和长度必须加载进GDTR之中。因为段描述符长度是8，所以GDT长度位8n-1.同时，因为每个描述符长度是8，所以GDT的基地址最好进行8字节对齐。 LDT表存放在LDT类型的段之中，此时GDT必须含有LDT的段描述符。访问LDT需要使用段选择符，为了减少访问LDT时的段转换次数，LDT的段选择符，段基址，段限长都要放在LDTR寄存器之中。注意：查找GDT在线性地址中的基地址，需要借助GDTR；而查找LDT相应基地址，需要的是GDT中的段描述符。LDT本身是一个段，而GDT不是。 两外，使用SGDT和SIDT指令的时候，需要存储6B的“伪描述符”（baseaddress+limit），此时为了避免对齐检查出错，需要将它放在地址位基数开始的地方。
段选择符示例：其中a～d分别表示内核代码段/内核数据段/任务代码段/任务数据段的值，分别是0x0008，0x0010，0x000f，0x0017.
段选择符通常是作为指针变量的一部分可见，但选择符的值通常是由链接或者加载器设置或者修改，而不是应用程序。（看图）
从上图中，我们需要注意以下几点： 1）段寄存器只有六个，一个程序可以定义很多段，但只能同时访问六个 2）我们提供隐藏部分，也就是描述符缓冲，来减少对描述符表的引用次数。 3）有缓存，必然涉及到缓存一致性的维护，我们在描述符表中的描述符修改过后立即更新缓存。 4）有两类加载指令可以改变段寄存器的值：MOV（pop/lds/les/lss/lgs/lfs）等显示指令和CALL（JMP/RET/IRET/INTn/INTO/INT3）等隐式加载指令。
对这个图的简要解释： 1）段限长：两个字段，一个20b，和G以及E地段决定段限长的实际大小和方向。 2）base：32b，一般是16字节对齐 3）type：指定段或者门的类型，访问种类和扩展方向，对它的解释需要依赖描述符类型标志S。具体解释结果如下： 4）描述符类型标志s 5）描述符特权级DPL 6)段存在标志P 7）默认操作大小/默认栈指针大小/上下界标志D/B 8）颗粒度标志G
数据段的描述符，类型字段的低三位可以分别表示已访问（A），可写（W），拓展方向（E） A位指名自从上次操作系统复位该位之后，一个段是否被访问过。当处理器将一个段选择符加载进入相关寄存器之后，就会置位该位，直到它被明确地清除。可用于虚拟内存管理和调试。 在保护模式下，代码段是不可写的。 解说：关于一致性代码段和非一致性代码段？
后记：存储管理模型比较繁杂，而且对应具体的硬件和相应的数据结构，需要反复理解和记忆才能弄通，总之在这个过程中，有一个问题一直需要思考：XX是什么？怎么得到它？得到它了以后什么东西会用到它？另外，此处总结操作系统的一条规律：哪里有速度差，哪里就有缓存；哪里有缓存，哪里就有一致性维护。
2.段描述符表
描述符表的长度可变，每个描述符的长度是8B，最多可以包含8K个这样的描述符（为什么呢？因为段选择符是16位的，其中的13bit[bit3-bit15]用来作index）。有两种描述符表，GDT(global descriptor table)和LDT(local descriptor table)。结构如下：（fd02）段描述符表存放在由操作系统维护着的特殊数据结构之中，由处理器的内存管理硬件来引用。虚拟地址空间被分割成大小相等的两半，一半由GDT来映射，一半由LDT来映射。整个虚拟地址空间还有2的14次方个段，一半是由GDT映射的全局虚拟地址空间，一半是由LDT映射的局部虚拟地址空间。系统发生任务切换的时候，会更新任务的LDT。 每个系统必须定义一个GDT，用于系统中的所有任务和程序。可选择性定义若干个LDT。GDT本身不是一个段，而是线性地址空间的一个数据结构；GDT的线性基地址和长度必须加载进GDTR之中。因为段描述符长度是8，所以GDT长度位8n-1.同时，因为每个描述符长度是8，所以GDT的基地址最好进行8字节对齐。 LDT表存放在LDT类型的段之中，此时GDT必须含有LDT的段描述符。访问LDT需要使用段选择符，为了减少访问LDT时的段转换次数，LDT的段选择符，段基址，段限长都要放在LDTR寄存器之中。注意：查找GDT在线性地址中的基地址，需要借助GDTR；而查找LDT相应基地址，需要的是GDT中的段描述符。LDT本身是一个段，而GDT不是。 两外，使用SGDT和SIDT指令的时候，需要存储6B的“伪描述符”（baseaddress+limit），此时为了避免对齐检查出错，需要将它放在地址位基数开始的地方。
3.段选择符
段选择符也称为段选择子，16bit，它指向段描述符表中的段描述符。段选择符的结构如下：段选择符示例：其中a～d分别表示内核代码段/内核数据段/任务代码段/任务数据段的值，分别是0x0008，0x0010，0x000f，0x0017.
段选择符通常是作为指针变量的一部分可见，但选择符的值通常是由链接或者加载器设置或者修改，而不是应用程序。（看图）
从上图中，我们需要注意以下几点： 1）段寄存器只有六个，一个程序可以定义很多段，但只能同时访问六个 2）我们提供隐藏部分，也就是描述符缓冲，来减少对描述符表的引用次数。 3）有缓存，必然涉及到缓存一致性的维护，我们在描述符表中的描述符修改过后立即更新缓存。 4）有两类加载指令可以改变段寄存器的值：MOV（pop/lds/les/lss/lgs/lfs）等显示指令和CALL（JMP/RET/IRET/INTn/INTO/INT3）等隐式加载指令。
4.段描述符
4.1段描述符的通用格式
对这个图的简要解释： 1）段限长：两个字段，一个20b，和G以及E地段决定段限长的实际大小和方向。 2）base：32b，一般是16字节对齐 3）type：指定段或者门的类型，访问种类和扩展方向，对它的解释需要依赖描述符类型标志S。具体解释结果如下： 4）描述符类型标志s 5）描述符特权级DPL 6)段存在标志P 7）默认操作大小/默认栈指针大小/上下界标志D/B 8）颗粒度标志G
4.2代码和数据段描述符类型
S=1的时候，该描述符用于代码段和数据段，意义如下表所示。数据段的描述符，类型字段的低三位可以分别表示已访问（A），可写（W），拓展方向（E） A位指名自从上次操作系统复位该位之后，一个段是否被访问过。当处理器将一个段选择符加载进入相关寄存器之后，就会置位该位，直到它被明确地清除。可用于虚拟内存管理和调试。 在保护模式下，代码段是不可写的。 解说：关于一致性代码段和非一致性代码段？
4.3系统描述符类型
如果段描述符的S标志是0的话，那么该描述符是一个系统段描述符。处理器能够识别以下类型的系统段描述符。 1）局部描述符表的段描述符 2）任务段（TSS）描述符 3）调用门描述符 4）中断门描述符 5）陷阱门描述符 6）任务门描述符 两大类：系统段描述符和门描述符。它们的具体描述符如下，使用方法见后续的blog后记：存储管理模型比较繁杂，而且对应具体的硬件和相应的数据结构，需要反复理解和记忆才能弄通，总之在这个过程中，有一个问题一直需要思考：XX是什么？怎么得到它？得到它了以后什么东西会用到它？另外，此处总结操作系统的一条规律：哪里有速度差，哪里就有缓存；哪里有缓存，哪里就有一致性维护。