操作系统知识（待续）

怼烎@ 2022-08-01 12:21 190阅读 0赞

声明：本文为知识整理，原文在相应的参考中标出。

# 从硬件的发展史的角度来看段机制 #

1971年，Intel 发布了第一款的微处理器4004。它是一个4位的微处理器。

1972年，Intel 发布了第一款八位处理器8008。它是一个8位的微处理器，地址总线(address bus)是14位的，就是说可以访问到16K的内存空间。

1974年4月，Intel 发布了第二款八位处理器8080。它是8008是增强版，增加了几个累加器，使它可以访问16位(8+8)的内存地址，即64K 范围内的地址空间。而且它也是公认的“第一款真正可用的微处理器”。8080的架构对8086产生了很大的影响，并且为 x86系列奠定了基础。

至此，内存寻址访问仍是绝对地址。就是指令的地址即物理地址，中间没有任何的转换。

1976年开始设计，1978年中旬Intel 发布了**8086**。标志了**x86**王朝的开始。它是一款16位的微处理器，却被设计成可以访问1MB 的内存（即20位的地址空间）。问题就产生了，16位的 **ALU**怎么去取20位的地址呢？因此，**段**的概念 在8086身上被引入了。

段的引入是解决“ 地址总线的宽度一般要大于寄存器的宽度 ”这个问题。

8086的分段寻址，是指一个物理地址由段地址（segment selector）与偏移量（offset）两部分组成，长度各是16比特。其中段地址左移4位（即乘以16）与偏移量相加即为物理地址。例如，06EFh:1234h，表示段地址为06EFh,偏移量为1234h,物理地址为06EF0h + 1234h = 08124h。在计算物理地址时如果发生上溢出，8086处理器舍弃进位。例如，FFFFh：0010h所对应的物理地址为00000h.

这种分段寻址，即 **段地址+偏移量** 的做法，在以80286开始之后会被称为 实模式。

1982年，Intel 的80286面世了。它是第一款采用 保护模式 的 x86微处理器。地址总线增加到24位使它可以访问到16M 的内存空间。即使是可访的内存空间增加了，但它的分段大小依然是64K，程序的规模受限，注定286受不到更多的喜爱。

所以，286很快就被80386所替代了。

1985年，Intel 发布了80386。一个拥有32位的微处理器。并且地址总数(address bus)也是32位的，寻址能力大幅提高到4G。同时，为了向前兼容8086，386中**既有保护模式，又有实模式**。并且在保护模式下，分段的大小可以到达4G(2\*\*32)。

现在有必要简单交代一下，实模式 与 保护模式 分别是什么了。

**实模式**： 是 段地址+偏移量 的方式，得到物理地址，进而寻址。

**保护模式**： 不允许通过段寄存器取值得到段的起始地址，而是把虚拟地址转进一个 MMU 的硬件，经过额外的转换和检查，进而得到一个物理地址。（如下图）。其中的额外检查就可以起到例如保护某段数据的作用。  
![这里写图片描述][20150624104003737]  
图1：MMU 转换虚拟地址为物理地址

是时候来一个简单的总结了。

从4004到386，先是直接物理地址寻址，然后是 实模式 形式的寻址，最后变为 保护模式 形式寻址。

最重要的变化是从“实模式”向“保护模式”的转变。这背后实际也是处理器的系统体系结构的变化。虽然386往后的CPU在各方面都有改进，但由于在本质上的结构没有大变化，所以386往后的处理器都统称80x86。

参考：  
[从硬件出发，浅谈操作系统的段机制与页机制][Link 1]

[20150624104003737]: /images/20220731/4bc0fd0a334340f5a9a223b6f3ec4602.png
[Link 1]: http://www.jianshu.com/p/f4a909f3fd2e