05 | CPU工作模式：执行程序的三种模式

之前看过深入理解linux内核，但缺少模型上的分析，从书本从头看到尾反反复复最终似懂非懂，看了该系列整体上清晰多了，有了比较清晰的知识结构。而且因为之前有了解过相关概念，所以看此篇很快，倒没啥压力了哈哈

这节CPU三种工作模式，确实信息量比较大； 第一遍扫完后，发现好多细节都没有太懂； 第二遍精读，每句话，每个图，每行代码都一一理解后，再往下进行，龟速，需要很好的耐心，中间偶尔还要停顿信息，放松下大脑。这一边用了2-3个小时； 现在终于有感觉了； 看到长模式下，段描述符中不在有段基地址和段内偏移，就会去想那如何用段描述符定位内存中的数据呢？ 这时就想到了操作系统里面的页面。。。 果然下面的文字就提到了MMU和TLB 激活了我多年没有用过的操作系统课知识点

看了今天的课程和同学们的留言让我百感交集。 人的一生时间有限，无法什么都做到极致。但在摸索的过程是可以什么都去碰一下，才知道自己喜欢什么。我以为我不是那么喜欢计算机。我不是本科，是念电机工程的，已算是很相近的，比起念化学或是文史哲商等。但我仍然用了一堵高墙将自己围住，说自己不是纯正计算机本科的。 二十年前刚开始工作时有机会接触8051控制器，是用8051的汇编代码，花了不少时间把中断、寄存器研究过、因为8051只有8位元，相对简单，但没有操作系统，我开始对操作系统有兴趣，就开始自学x86的操作系统，买书来看，但真的看不懂，当时也没有互联网上这么多讯息，还买了minix的书来看，英文的书有多了一层外文的障碍，因为工作忙，也没实际用到，就这么放下了。 最近看到老师的这专烂，让我想到之前放弃了的操作系统的学习。 老师讲的实在太好了，给100个赞都不够。因为他是亲身实践过，而且表达力极佳。 过去不懂的，开始有一点看得懂了。但是真的是单纯因为老师讲的好我才看得懂吗？ 看到底下很多同学的留言，让我想起二十年前的自己。 这过程有点像是小学的数学学不明白，到了中学再回头看，竞然明白了。 其实是自己的理解增加了，我不想用聪明这个字，会误导很多人。 纠结在自己有没有天份。 我很认同老师在底下同学留言的回覆。 "不需要前置的知识"，"多看几遍"，"如果看到一个新东西 ，不要在意它叫什么，它叫什么都可以，而是要在意它是干什么的，它有什么作用。有了整体思路，再去扣细节。" 也不存在着需要什么条件，常常就是这种条件，自己把自己绊住了， 以为自己没有达到，就放弃了。或是就转移目标去完成那个条件，而忘了回来原来的操作系统的学习。 很多时候困难全是自己想出来的。觉得难，这是很正常的。 不必要对自己太严苛。可以稍微休息一下(我说稍微不是二十年)，做一下别的事，再回来。 每个人的情况都不一定，没有一个固定的方法或是习惯，只有问你自己。 因为太难就放弃，那就太可惜了。可以慢一点没关系，不要放弃。 想想自己为什么来上这个课，想要从这个课得到什么？ 如果是加薪，升官，学分或是为了下一门课会不会压力很大？ 如果只是因为好奇，这看起来还挺有趣，想了解一下，会让你更挺得住这些困难。 因为有这些难点本来就很正常，克服了，弄懂了一个信心就会增加，就会继续前进， 如果一开始不去克服那个难点，选择逃避或是绕路，那永远就是在原地打转。 如果这一篇让你觉得鸡汤或是说教，那不是我的本意。只是将自己过去有感而发写下的。我也还在学习。 谢谢老师带来亲身实践后这么精彩的课程，也谢谢同学们对我的启发，共勉之~

稍微总结一下： 1、x86 CPU的位数越来越高，从16到32到64，每次进步都尽量的去兼容了之前的CPU架构，所以： A、16位时寻址能力不足，所以要借助额外的寄存器进行1M空间的寻址；32位时，每个程序都有自己独立的4G寻址空间，操作系统用低位的1G-2G，其余留给用户程序；64位后，暂时就遇不到寻址能力不足的事情了； B、前一代的寄存器尽量保留，不够用就扩展新的 C、寄存器的长度升级后，其低位可以兼容上一代的寄存器 2、CPU同时在安全性上也要提升，从只有实模式【可以随意执行全部CPU指令，内存可以直接通过物理地址访问，随意访问随意读写】，到了32的保护模式【将指令划分为ring0到ring3，CPU指令不是你想调用就能调用；内存不是你想访问就能访问，首先CPU要允许，而且操作系统允许】，而64的长模式在安全方面与32并没有本至区别； 3、从实模式到保护模式，访问内存时，需要访问的地址变大了，需要控制的内容变多了，于是引入了段描述符，所有的段描述符组成了描述符表，包括唯一的全局描述符GDT和多个局部描述符号LDT。GDT是操作系统特供，要重点关注。CPU寻址的时候，要通过段寄存器+GDTR寄存器定位到的内存中的描述符，判断是否允许访问。然后，再根据段描述符中地址进行访问。 4、同时内存中内存管理有段、页、段页三种常用模式。一般在应用层，程序员感受不太到，操作系统全给咱们做完了。 5、中断，其实是通过硬件或软件方式告诉CPU，来执行一段特殊的代码。比如咱们键盘输入，就是通过硬件中断的方式，告知操作系统的。在实模式下，中断是直接执行的。但到了保护模式和长模式下，就要特权级别校验通过才能执行，所以引入了中断门进行控制。在ring3调用中断一般是要通过操作系统切换到内核态ring0进行的，与内存类似，要通过中断向量表，确认中断门中权限是否允许，然后定位到指定代码执行。 6、BIOS引导后，系统直接进入最简单、特权最大的实模式；而后告知CPU，切换到保护模式，并运行在ring0。后续的用户进程，一般就在ring3，想执行特权指令要通过操作系统来执行。

汇编看不懂，还有x86平台也不懂，请问可以从哪里入手下？

搞java的我，表示没看懂

这篇文章信息量很大，但是问题比较简单，我先回答一下问题吧。 实模式下的寻址空间跟地址总线的个数是密切相关的，早期的 x86 物理机，虽然寄存器是 16 位，但是地址总线却有 20 根，根据计算 2^20 = 1M，寻址空间肯定得有 1M 啊，但是寄存器只有 16 位，即 2^16，没有这么大的空间啊，臣妾办不到啊～ 那怎么办呢？聪明的 intel 工程师（挖坑师）想到了一个办法，即段寄存器左移 4 位，然后加上另外一个通用寄存器的值就可以组合出这个 20 位了，即 2^16 * 2^4 + 2*16，哦嚯一下子组装出来了。 这样 20 根地址总线都用上了，得到了 1M 的寻址空间，可把工程师给乐坏了。 但是，后面的事情大家都知道了，16 位不够了，32 位也不够了，在 64 位的情况下，完全不用考虑地址空间的大小问题了，变成了内存不够的问题了，而这个时候，保护模式下的虚拟地址映射又完美解决了这个问题（虚拟地址后面有），哟嚯，又把 intel 的这群挖坑师给乐坏了。

内容硬核，已啃三遍！

看到后面，回头再看一遍，记点笔记。 实模式，保护模式，长模式，逐渐演进 1、实模式： (1)代码段地址+左移4位+ IP = 取指 数据段+左移4位+ 通用寄存器值 = 数据地址 栈段SS+左移4位 + SP = 栈地址 (2)实模式中断： 中断号+ IDTR 寄存器(指向中断表的地址和长度) ---> 根据中断号，找到中断表中的对应条目 ---> 解析出中断函数基地址填充CS、中断函数偏移填充IP ---> 响应中断。 2、保护模式： (1)保护模式寄存器：通用寄存器，IP，SP 16位->32位。添加了EFLAGS cpu标志寄存器和几个cpu控制寄存器。 CS DS SS 中改为存放内存段的索引，用于寻找内存中的段描述符。 (2)保护模式下，R0 -- R3的特权级别访问。通过内存中存放64位段描述符实现特权划分，段地址寻址。 CS | DS | SS （段描述符索引）+ GDTR（指向全局段描述符表基地址） -- > 找到段描述符 --> 解析代码段还是数据段，地址，访问权限 其中影子寄存器 : 通过硬件实现，是段描述符的高速缓存, 防止反复读内存，提高效率。 权限问题：当前执行程序的CS RPL、SS RPL = CPL, 要访问的段描述符中拿到DPL， CPL > DPL 禁止程序访问目标段， CPL <= DPL , 可以访问 (3)保护模式的平坦模型: 段基址为0，段长度为4G的特殊段管理模式，规避历史原因导致的分段模型缺陷。 (4)保护模式中断:中断号+ IDTR 寄存器(指向中断表) ---> 根据中断号，找到中断表指向的内存中的中断门描述符 ---> 中断门和中断描述符中段选择子的权限检查--> 中断门描述符中目标代码段选择子填充CS， 目标代码段偏移填充EIP ---> 响应中断。 权限问题：当前CPL小于等于中断门DPL，才可进中断门，当前CPL，大于段选择子的DPL，则设置CPL=段选择子DPL。 例：当前运行代码CPL=R3级别，遇R3中断门进门，执行特权级中断程序R0，此时CRL=R0。 (5) 切换保护模式： 准备全局描述附表GDT， GDTR指向GDT， 设置CR0开启保护模式， 执行长跳转,CPU根据8索引值索引GDT中第二条数据，加载CS 3、长模式： （1）寄存器扩展到64位 （2）长模式段描述符, L=1，D/B=0 时是64 位代码段， L ， D/B, 无效是数据段 （3）长模式中断：中断们描述符比保护模式多了8字节64位，用于存放64位的目标代码段偏移多出来的高32位。 其他中断过程同保护模式。 （4）长模式切换：准备长模式全局段描述符表, 准备长模式下的MMU页表,开启分页模式 CR3指向页表物理地址 GDTR指向全局段描述符表 IA32_EFER寄存器第8位开启长模式，CR0寄存器= 0x31开启保护模式和分页模式 进行跳转，索引GDT， 加载 CS 段寄存器，刷新其影子寄存器 （5）长模式弱化段模式管理，只保留了权限级别的检查，忽略了段基址和段长度，而地址的检查则交给了 MMU，分页管理。

建議大家讀讀李忠老師的《穿越計算機的迷霧》，學習一點硬件原理，對後續學習會有很大幫助。很薄的小冊子，三兩天就能讀完。