IA32系统级架构总览(一) 实模式和保护模式
应用程序的编写大部分的时候是不必关心系统级架构的,最多学习一下平台所给的API即可,也就是我们通常说的黑箱子。但是在学习操作系统的时候,系统级架构是要关心的。
系统级架构很难学习,其中一个很大的原因是“纷繁复杂的架构”,还有就是很强的陌生感。先说个故事吧。
秋季学期俱乐部招新由我来面试,之前并没有做过这样的事情,我的手中有一份参加面试的名单,上面写着同学们的姓名、学号、学院、联系方式等信息,如果明天直接去面试彼此不了解,第一次做面试官的我很容易尴尬,“实体物的像会影响一个人的判断,甚至丧失对实体物全局的判断,全局把握的最佳时机就是实体物对我而言还是脑袋中的抽象时”,在我还没见到他们之前的一个晚上我弄到了教务处的管理员账号,根据学号一一查找信息,并一一谷歌,“免冠照片、高考成绩、家乡、高中、初中、获得奖项等”,有了这些信息,第二天的面试顺利进行,更没有遇到之前担忧的尴尬。
为了更好的学习架构,我所说的是不是“预习”?其实也不全是,重要的是要有一个全局的把握,这种把握既可以是学习之前也可以在学习之中获得,有了这个全局的把握,便知道了“因何而起,为何而生,为什么一定是它”。
处理器有两种工作模式(注意,不是只有这两种,而是存在):实模式、保护模式。他俩可能有很多不同,其中有一点不同就是访存。在实模式下,内存是裸露给处理器的,处理器获取到段地址和偏移地址(cs:eip),两者一拼凑即可获得要访问的地址,“我有两个残缺的地图,但是只要把他们拼在一起就可以找到宝藏的位置”;在保护模式下,访问内存可不是一件容易的事情,处理器获得了段地址和偏移地址,但此时的段地址并不是真实的段地址(但又确实是个地址),而是“段选择子”,然后根据段选择子在GDT中查找到真正的基地址,然后用这个基地址和偏移地址才可以获得要访问的地址“我有两个地图,其中一个地图指向一个房间,我的先到那个房间把真正需要的地图去取出来,然后把它和另一块地图拼在一起就可以找到宝藏的位置了”。
保护模式下的访存更加安全了,不仅仅是基地址的获得复杂了,仔细想一想为什么这么做会安全了。仅仅是增加了步骤而已吗,为什么要把实际基地址放在另一个地方然后让你去取,因为就在你取这个地址的时候,你的行径相当于被记录了,而且被限制,就好比说你要访问一个房间,这之前你需要做了登记,并被告知你的活动范围只能在这个房间里,你不能顺藤摸瓜去别的房间。
纷繁复杂的系统级架构,并不是工程师们喜欢复杂而制作出来了,而是为了满足某种目的的功能,比如保护模式的实现就需要很多数据结构(如GDT、LDT、TSS)和硬件,另外一些情况为了兼容之前的模式。
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