实模式：奇葩的存在

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每次看操作系统，都有关于实模式和保护模式的介绍。

事情是这样的描述的：电脑启动时，运行在实模式，在启动过程中的某一个阶段切换成保护模式。

听懂了吗？就这么简单。其实我也不懂。既然后面启动的操作系统运行在硬件的保护模式下，为什么电脑开机不直接使用保护模式，而要先来个实模式？计算机讲究的就是简单更好啊。

于是我上网查阅大量的资料，其实就是看了很多博客，英语的文档读起来费时间，也就只能看看博客了，有点像打野。。。

于是，感觉看了一堆历史。

首先CPU由通用寄存器（用来存储CPU实现基础运算的操作数），其次CPU和内存通信需要线路相连接。

Intel的CPU是从16位CPU发展起来的，后来有了32位和现在流行的64位处理器。这些处理器为什么叫做16位、32位呢？

最大的区别就是通用寄存器的宽度，在最初的16位处理器中，通用寄存器只有4个，每个寄存器有16位这么大，这意味着什么？意味着CPU的每个操作数最多只有16个位来存储（一个寄存器）。比如CPU要计算a+b;则a只能存放到一个寄存器中，b也是，a+b的结果也是只能放到一个寄存器临时保存，后续再移动到内存中。16位能存放一个多大的数？2^16=65536。而当我们要寻找一个内存地址时，使用一个值表示这个地址，这个值也只能放在16位的寄存器中，意味着我们的内存地址范围只能在[0,65535]字节，超出这个范围的内存，抱歉，计算机没能力找到，因为保存地址的空间只有16位。那计算机内存能有多大？64KB。我的天哪？以前的计算机真的是不知道能干个啥。

说完CPU的通用寄存器，再来说说CPU和内存相连的线路，这个线路，能够传送20位宽度的值。。。waht???一家人就不能保持整整齐齐的吗？为什么不是16位？非要多4位出来，这4位是不是有点浪费？

没错，当时也有人是这么想的，于是他们把这4位加以利用，寻址的时候，虽然存储的值是16位，但是传送线路是20位，于是有人使用两个16位的寄存器中的值组合一下，组成一个20位的值，额，16位+16位不应该是32位吗？是的，但是线路只能传送20位的，所以就组成20位的了（组装方法：地址=寄存器A右移4位，寄存器B的值用来填充左边空的4位，这样凑齐20位），ε=(´ο｀*)))唉，又造成了浪费，一家人就不能整整齐齐的吗？事实证明，计算机发展初期，当时考虑的也比较不周全，也没想到计算机会发展的这么牛。

那么，在这种改装下，寻址的能力就变成了2^20，也就是1MB，内存空间达到了1MB，碾压64KB的内存啊。

以上就是16位CPU的由来，早期Intel的CPU就是这样发展起来的。讲到这里，讲的一直都是实模式，当时没有实模式和保护模式的概念。

由于软件越来越丰富，硬件也该发展吧，于是出现了32位处理器，从32位的80286处理器出世之后，才发明出了保护模式这一说法。32位处理器拥有8个通用寄存器，每个寄存器都是32位的。当然，CPU的从16位到32位是发展，而不是革命。所以CPU总是兼容以前的CPU，为什么这样做呢？为了让以前运行在16位机器的程序能够直接放过来新的32位CPU上运行。不这样做有人会买你的CPU吗？比较32位CPU出世时市面上的程序都是16位的，要是不兼容以前的程序，用户要发飙的，要么选择不买CPU，要么选择重新写程序。为了让之前的程序能运行在新的CPU上，32位CPU就保留了16位CPU的能力，32位的8个32位通用寄存器中，有1/4是16位CPU的寄存器，名字都没变，相当于对之前的寄存器做了扩容。

然而32位CPU能够寻址32位的地址，也就是4GB。除了这个功能，32位处理器还发展出了很多的功能，与现代操作系统相辅相成，例如内存保护，分页系统，以及硬件支援的 虚拟内存，拥有这么多的功能，硬件自然要提供很多机制才能实现出来，这就叫做保护模式。

传统的16位处理器启动时就是在实模式，也就是纯裸的，没有任何支持。32位处理器为了兼容16处理器，把开机时的实模式也兼容了，所以即使是16位的操作系统，放到32位处理器上，仍然能运行。所以开机的时候CPU就是实模式，然后32位操作系统又将实模式切换成保护模式。如果发现是16位的操作系统，就直接运行在实模式好了。实模式的存在就能兼容之前的16位程序。

现在明白什么是实模式了吧，作为一个基于现代操作系统上层的开发者，可以完全不用知道实模式的存在也能正常工作。而如果你在学习操作系统，特别是操作系统的启动，就会涉及到这部分内容，让你眼前一黑，卧槽，这是什么？从来没听过。