x86_physical_layout

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总结关于x86物理内存布局和real mode/protect mode相关的基本知识

1 x86 physical address layout

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+------------------+  <- 0xFFFFFFFF (4GB)
|      32-bit      |
|  memory mapped   |
|     devices      |
|                  |
/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\

/\/\/\/\/\/\/\/\/\/\
|                  |
|      Unused      |
|                  |
+------------------+  <- depends on amount of RAM
|                  |
|                  |
| Extended Memory  |
|                  |
|                  |
+------------------+  <- 0x00100000 (1MB)
|     BIOS ROM     |
+------------------+  <- 0x000F0000 (960KB)
|  16-bit devices, |
|  expansion ROMs  |
+------------------+  <- 0x000C0000 (768KB)
|   VGA Display    |
+------------------+  <- 0x000A0000 (640KB)
|                  |
|    Low Memory    |
|                  |
+------------------+  <- 0x00000000

8086的16位架构，操作系统只能利用2^20的地址，也就是1MB，也就是上图中0x0000000到0x00100000的区域。其中0x0到0xA0000的640KB是RAM使用，0xA0000到0xF0000的320KB是设备使用比如VGA，0xF0000到0x100000的64KB是BIOS使用。

在扩展到80386的32位架构后，系统可以收用2^32的4GB的地址。为了兼容16位系统，0xA0000到0x100000的区域(原先BIOS和设备区域)不再使用而空出。把原来0x0到0xA0000的RAM区域称为Low memory区域，1MB之后的RAM区域称为Extended Memory区域。BIOS和设备内存区域移动到32位区域的顶部。

可想而知当扩展到64位架构之后，为了系统向后兼容，又会产生第二个空闲区域。

2 real mode和protect mode

2.1 real mode

real mode wiki
real mode是x86系统都兼容的一个运行模式，出现在早期的8086/8088架构时期。

  • real mode支持20位寻址，也就是1MB的内存空间。
    • 使用段寄存器(16位)和偏移寄存器(16位)计算地址: segment * 16 + offset
  • 运行程序可以直接访问物理内存，I/O地址和外部设备
  • 因此不提供内存保护(memory protection)/多任务(multitasking)和权限(code privilege levels)

2.2 protect mode

protect mode wiki
80286引进protect mode， 80386加强

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           Selector  +--------------+         +-----------+
          ---------->|              |         |           |
                     | Segmentation |         |  Paging   |
Software             |              |-------->|           |---------->  RAM
            Offset   |  Mechanism   |         | Mechanism |
          ---------->|              |         |           |
                     +--------------+         +-----------+
            Virtual                   Linear                Physical

2.2.1 提供

  • 虚拟内存(virtual memory)
  • 页表(page)(386引进)
  • 安全的多任务(multi-tasking)处理(286引进)
  • 无需重置CPU切换回real mode(386引入)

2.2.2 段寻址(80286开始)

  • real mode中段部分替换为16位的选择器(selector), 高13位代表GDT的条目索引， 最低2位确定了请求的权限等级(0代表最高等级/3代表最低等级)
  • GDT介绍
    • GDT条目(segment descriptor)有8字节长，定义了段的基地址(base address 32位)，段的大小(limit 20位)以及权限(access rights)
      注意base的32bits是分成8bits, 8bits和16bits的， limit的20bits是分成16bits和4bits的
    • GDT的位置存在GDTR寄存器中，可以使用LGDT指令写，只有一个GDT
  • 如果开启paging,则将计算出的linear address输入page table，否则直接映射到物理地址

2.2.3 paging(80386开始)

  • page管理使用page directories和page tables。
    • page directory是1个page的大小(4K)包含1024 page directories entries(PDE), PDE指向page table
    • page table同样是4K大小，包含1024个page tables entries(PTE),PTE指向实际的物理地址
  • page directories的地址存在控制寄存器CR3的高20位之中(参考控制寄存器)
  • 开启paging需要设置CR0的PG位
  • 一个时间内只会有1个page directory在使用中

2.2.4 flat mode

没有必要使用segment translation, 但是没有直接可以关闭segment translation的方式。

C 指针就是虚拟地址(virtual address)的偏移部分。 在boot/boot.S, 我们可以设置一个Global Descriptor Table (GDT)来通过使得所有segment base address为0而limit为0xffffffff来有效关闭segment translation。 因此selector部分就没有作用了，linear address总是等于虚拟地址(virtual address)的offset。

2.2.5 兼容real mode

为了提供向后兼容，286以real mode开始运行, 当系统程序设置了descriptor table(至少设置null descriptor/code segment descriptot和data segment descriptor)且开启控制寄存器CR0中的Protection Enable(PE)位之后，才可以进入protect mode。

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; set PE bit
mov eax, cr0
or eax, 1
mov cr0, eax

; far jump (cs = selector of code segment)
jmp cs:@pm

@pm:
; Now we are in PM.

2.3 关于在real mode下的寻址能力

8086/8088/80186的地址总线是20位，用段寄存器和偏移寄存器寻址方式能产生21位，如果超过$2^{20}$则取模$2^{20}$，即偏移地址 - 0x10(A20line关闭)

80286的地址总线是24位也就是16MB的寻址能力，可以容纳21位，用段寄存器和偏移寄存器的方式寻址，最大寻址能力为0xFFFF0 + 0xFFFF = 0x10FFEF = 1MB + 64KB - 16(A20line打开)

2.4 80286下从protect mode切回real mode

直接重置CPU，由于RAM没有重置，CPU可以重新以real mode开始运行。