80386ASM程序设计基础(九)

坏坏 2006-12-09

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虽然80386处理器要较以前的处理器的功能大大增强，但这些功能只能在保护模式下才能全部得到发挥。在实模式下最大寻址空间只有1M,但在保护模式最大寻址空间可达4G，可以访问到所有的物理内存。同时由于引入虚拟内存的概念，在程序设计中可使用的地址空间为64TB。80386处理器采用了可扩充的分段管理和可选的分页管理机制，这两个存储管理机制由MMU(Memory Management Unit)部件来实现。因此，如果在80386下进行实模式编程，这时的80386处理器相当于一功能更强大，运行速度更快的8086处理器。80386提供对虚拟存储器的支持，虚拟存储器的理论基础就是：速度非常快的内存储器和海量的外存储器，所以它是一种软硬件结合的技术，它能够提供比物理内存大得多的存储空间。
   80386下的段具有三个属性：段基址，段界限，段属性，通常描述段的称作段描述符(Segment Descriptor),而描述符通常放在一个线性表中，这种线性表又分为：GDT(Global Descriptor Table),LDT(Local Descriptor Table),IDT(Interrupt Descriptor Table)，通常用一个叫做选择子的东西去确定使用上述三个线性表中哪一个描述符。程序中使用的地址空间就是虚拟地址空间，上面已经说过80386下虚拟地址空间可达到64TB(后面将解释为什么可以达到64TB)，虚拟地址空间由一个选择子和段内偏移组成，这是因为通过段的选择子我们可以得到该段的描述符，而在描述符中又说明了段的基址，段的界限及段的属性，再加上段的偏移就可以得到虚拟地址空间。不过请注意，这里并没有将段基址乘以16再加上偏移地址，这是保护模式与实式模式的区别之一。很明显，任何数据都必须装入到物理内存才能够被存储器处理，所以二维的虚拟地址空间必须转换成一维的物理地址。同时，由于每个任务都有自已的虚拟地址空间，为了防止多个并行任务将虚拟地址空间映射同一物理地址空间采用线性地址空间隔离虚拟地址和物理地址，线性地址空间由一维的线性地址构成，线性地址空间与物理地址空间对等，线性地址为32位，可寻址空间为4GB(物理地址空间最大也可以达到4GB，址址为32位，所以说线性地址空间与物理地址空间对等)。下面是80386虚拟地址空间与物理址空间的转换示意图：

        |----------|              |------------|       |--------|        |------------------|       |--------|
        | 虚拟地址 |------>|分段管理部件|------>|线性地址|---|--->|可选的分页管理部件|---|-->|物理地址|
        |----|-----|       |------------|       |--------|   |    |------------------|   |   |--------|
      |------|-------|                                       |                           |
      |              |                                       |---------------------------|
|----------|    |---------|
| 选择子 |    | 段内偏移|
|----------|    |---------|

   地址映射过程中，通过分段管理部件将虚拟地址空间转换成线性地址，这一步是必然存在的。如果在程序中启用了分页管理机制，那么线性地址还要经过分页管理部件的处理才得到最后的物理地址。如果没有采用分页管理机制，那么得到的线性地址就是物理地址。分页管理部件的主要的工作机制在于将线性地址和物理地址划分成大小相同的块，通过在建立两者之间的页表来建立对应关系。分段管理机制使用大小可变的存储块，使用分段管理机制适合处理复杂系统的逻辑分段。分页管理机制使用固定大小的块，所以它适合管理物理存储器，分页管理机制能够更有效地使用虚拟地址空间。
   80386支持多任务，因此对各个任务进行保护是非常必要的，对任务的保护可分为：同一任务内的保护，不同任务之间的保护。
   a.同一任务内的保护，在同一任务内定义有四种特权级别(Previlege Level)，将这些特权级别分配给段中的代码和数据，把最高的特权级别分配给最重要的数据和最可信任的代码，将较低级别的特权分给一般的代码和不重要的数据。特权级别用0~3来表示，用数字0表示最高特权级别，用数字3表示最低特权级别，在比较特权级别时不使用大于或小于，而是使用外层或里层来比较，很明显特权级别为0表示最里层，特别级别为3表示最外层。任何一个存储段(程序直接进行访问的代码段和数据段)都有一个特权级别，在一个程序试图访问这个存储时，就会进行特权级别的比较，如果小于或等于(如果等于表明同级，小于则表明是内层)处该存储段的特权级别就可以对该存储段进行访问。任务在特定时刻下的特权级别称为CPL(Current Previlege Level)，看一简单的结构示意图:

                   |---------|-------|
                   | CodeA | DataA | 特权级别为0
                   |---------|-------|
                   |---------|-------|
                   | CodeB | DataB | 特权级别为1
                   |---------|-------|
                   |---------|-------|
                   | CodeC | DataC | 特权级别为2
                   |---------|-------|
                   |---------|-------|
                   | CodeD | DataD | 特权级别为3
                   |---------|-------|

     CodeA可以访问DataA,CodeB,DataB,CodeC,DataC,CodeD,DataD
     CodeB可以访问Datab,CodeC,DataC,CodeD,DataD,但不可以访问CodeA,DataA
     CodeC可以访问DataC,CodeD,DataD,但不可以访问CodeA,DataA,CodeB,DataB
     CodeD处在最外层，只能访问同级的DataD,不可以访问CodeA,DataA,CodeB,DataB,CodeC,DataC
     通常应用程序放在最外层，但由于每个应用程序的虚拟地址空间不同，因此它们被隔离保护。这种特权级别的典型用法就是：将操作系统的核心放在0层，操作系统的其余部分放在1级，2级留给中间软件使用，3级放应用程序，这样的安排的好处在于：操作系统的核心因为放在0层，因此它可以访问任务中所有的存储段，而1级的部分操作系统可以访问除0级以外的所有存储段，应用程序只能访问自身的存储段。
   b.不同任务间的保护,通过把每个任务放在不同的虚拟地址空间来实现隔离保护，虚拟地址到物理地址之间的映射由每个任务中的映射函数来决定，随着任务切换，映射函数也跟着切换，这样可以保证任务A映射到物理内存中的区域与任务B映射到内存中的区域是不同的，尽管有可能它们的虚拟地址空间相同，但它们最终在物理内存中的位置是不同的，从而起到了保护作用。