图解CPU的实模式与保护模式

Question

如题所述

Answer 1

本文将深入解析CPU的实模式与保护模式，主要关注内存管理与保护的变迁。从早期的8086芯片说起，实模式和保护模式在内存管理上的关键更新是引入了分段和分页机制，以优化内存利用和性能。实模式中，由于CPU和内存限制，寻址空间为1MB，而保护模式通过32位的地址总线和32/16位的扩展寄存器，实现了对4GB内存的访问，从而避免了频繁换段基址的问题。

在保护模式下，内存被赋予了权限控制，通过段描述符和全局描述符表（GDT）来管理，每个段都有特定的访问权限和限制。段寄存器不再直接存储物理地址，而是索引GDT，通过16位的段选择符找到64位的段描述符。为了兼容性，即使在32位的CPU中，也保留了16位的段寄存器和16位的段选择符。

分页机制的引入解决了分段机制的内存碎片问题，通过固定大小的页（4KB）和二级页表，实现了虚拟地址到物理地址的转换，有效地管理了内存空间。CPU内部的页部件加速了这一转换过程，使得程序可以动态分配和使用内存，且不会产生内存碎片。

总的来说，实模式与保护模式的演变，是内存管理和性能提升的重要里程碑，它们通过不断优化内存管理机制，使得硬件和软件得以更好地协同工作，推动了计算机技术的进步。