CPU的实模式和保护模式
https://zhuanlan.zhihu.com/p/42309472
实模式和保护模式都是CPU的工作模式，而CPU的工作模式是指CPU的寻址方式、寄存器大小等用来反应CPU在该环境下如何工作的概念。
1.实模式工作原理
实模式出现于早期8088CPU时期。当时由于CPU的性能有限，一共只有20位地址线（所以地址空间只有1MB），以及8个16位的通用寄存器，以及4个16位的段寄存器。所以为了能够通过这些16位的寄存器去构成20位的主存地址，必须采取一种特殊的方式。当某个指令想要访问某个内存地址时，它通常需要用下面的这种格式来表示：
(段基址：段偏移量)
其中第一个字段是段基址，它的值是由段寄存器提供的(一般来说，段寄存器有6种，分别为cs，ds，ss，es，fs，gs，这几种段寄存器都有自己的特殊意义，这里不做介绍)。
第二字段是段内偏移量，代表你要访问的这个内存地址距离这个段基址的偏移。它的值就是由通用寄存器来提供的，所以也是16位。那么两个16位的值如何组合成一个20位的地址呢？CPU采用的方式是把段寄存器所提供的段基址先向左移4位。这样就变成了一个20位的值，然后再与段偏移量相加。
即：
物理地址 = 段基址<<4 + 段内偏移
所以假设段寄存器中的值是0xff00，段偏移量为0x0110。则这个地址对应的真实物理地址是 0xff00<<4 + 0x0110 = 0xff110。
由上面的介绍可见，实模式的"实"更多地体现在其地址是真实的物理地址。
2.保护模式工作原理
随着CPU的发展，CPU的地址线的个数也从原来的20根变为现在的32根，所以可以访问的内存空间也从1MB变为现在4GB，寄存器的位数也变为32位。所以实模式下的内存地址计算方式就已经不再适合了。所以就引入了现在的保护模式，实现更大空间的，更灵活也更安全的内存访问。
在保护模式下，CPU的32条地址线全部有效，可寻址高达4G字节的物理地址空间; 但是我们的内存寻址方式还是得兼容老办法(这也是没办法的，有时候是为了方便，有时候是一种无奈)，即(段基址：段偏移量)的表示方式。当然此时CPU中的通用寄存器都要换成32位寄存器(除了段寄存器，原因后面再说)来保证寄存器能访问所有的4GB空间。
我们的偏移值和实模式下是一样的，就是变成了32位而已，而段值仍旧是存放在原来16位的段寄存器中，但是这些段寄存器存放的却不再是段基址了，毕竟之前说过实模式下寻址方式不安全，我们在保护模式下需要加一些限制，而这些限制可不是一个寄存器能够容纳的，于是我们把这些关于内存段的限制信息放在一个叫做全局描述符表(GDT)的结构里。全局描述符表中含有一个个表项，每一个表项称为段描述符。而段寄存器在保护模式下存放的便是相当于一个数组索引的东西，通过这个索引，可以找到对应的表项。段描述符存放了段基址、段界限、内存段类型属性(比如是数据段还是代码段,注意一个段描述符只能用来定义一个内存段)等许多属性,具体信息见下图：
https://pic4.zhimg.com/80/v2-1a08d48367745c2870e8818b7881b373_hd.jpg
图1 段描述符格式
其中，段界限表示段边界的扩张最值，即最大扩展多少或最小扩展多少，用20位来表示，它的单位可以是字节，也可以是4KB，这是由G位决定的(G为1时表示单位为4KB)。
实际段界限边界值=(描述符中的段界限+1)*（段界限的单位大小(即字节或4KB))-1，如果偏移地址超过了段界限，CPU会抛出异常。
全局描述符表位于内存中，需要用专门的寄存器指向它后， CPU 才知道它在哪里。这个专门的寄存器便是GDTR(一个48位的寄存器),专门用来存储 GDT 的内存地址及大小。
最后我们再介绍一下一个新的概念：段的选择子。段寄存器 CS、 DS、 ES、 FS、 GS、 SS，在实模式下时，段中存储的是段基地址，即内存段的起始地址。 而在保护模式下时，由于段基址已经存入了段描述符中，所以段寄存器中再存放段基址是没有意义的，在段寄 存器中存入的是一个叫作选择子的东西。选择子“基本上”是个索引值，虽然它还有其他内容，不过作为初学者暂时忽略也没太大关系。由于段寄存器是 16 位，所以选择子也是 16 位，在其低 2 位即第 0～1 位， 用来存储 RPL，即请求特权级(有兴趣的可以了解一下，不想了解的忽略即可，跟用户态和内核态相关的)，可以表示 0、 1、 2、 3 四种特权级。在选择子的第 2 位是 TI 位，即 Table Indicator，用来指示选择子是在 GDT 中，还是 LDT 中索引描述符。 TI 为 0 表示在 GDT 中索引描述符， TI 为 1 表示在 LDT 中索引描述符。选择子的高 13 位，即第 3～15 位是 描述符的索引值，用此值在 GDT 中索引描述符。前面说过 GDT 相当于一个描述符数组，所以此选择子中的索引值就是 GDT 中的下标。选择子结构如下：
https://pic1.zhimg.com/80/v2-c07398ad98ff6800f43637f83400f284_hd.jpg
图2 选择子结构
此外， 扩充的存储器分段管理机制和可选的存储器分页管理机制，不仅为存储器共享和保护提供了硬件支持，而且为实现虚拟存储器提供了硬件支持; 支持多任务，能够快速地进行任务切换(switch)和保护任务环境(context); 4个特权级和完善的特权检查机制，既能实现资源共享又能保证代码和数据的安全和保密及任务的隔离; 支持虚拟8086方式，便于执行8086程序。
