计算机从基础到提高《Windows处理器的工作模式》

1.3必须了解的基础知识1.3.180x86处理器的工作模式实模式保护模式虚拟8086模式1.3.2Windows的内存管理机制Dos操作系统的内存安排情况80386的内存寻址机制80386的内存分页机制Windows的内存安排从Win32汇编的角度看内存寻址必须了解的基础知识1.3.3Windows的特权保护机制80386的中断和异常80386的保护机制Windows的保护机制这是我们需要了解的一些基础知识，无论学习哪门编程语言，只要在Windows下编程，这些不能不知^_^1.3.180x86处理器的工作模式80386以后的处理器有3种工作模式：实模式、保护模式和虚拟8086模式。其实，实模式和虚拟8086模式是为了向下兼容而设置的。而保护模式是我们的主角，是我们现代系统实际上的工作模式。只有在保护模式下，32位CPU的寻址才能达到4GB的地址空间，同时，也能实现多任务、内存分页管理和优先级保护等先进的机制。Windows7的启动过程1、开启电源计算机系统将进行加电自检(POST)。如果通过，之后BIOS会读取主引导记录(MBR)——被标记为启动设备的硬盘的首扇区，并传送被Windows7建立的控制编码给MBR。注：硬盘的0磁道的第一个扇区称为MBR，它的大小是512字节，而这个区域可以分为两个部分。第一部分为pre-boot区（预启动区），占446字节；Windows的启动过程第二部分是Partitiontable区（分区表），占66个字节，该区相当于一个小程序，作用是判断哪个分区被标记为活动分区，然后去读取那个分区的启动区，并运行该区中的代码。MBR他是不属于任何一个操作系统，也不能用操作系统提供的磁盘操作命令来读取它。但我们可以用ROM-BIOS中提供的INT13H中断的2号功能来读出该扇区的内容。（介绍BIOS指令）Windows7的启动过程2、启动菜单生成Windows启动管理器读取“启动配置数据存储(BootConfigurationDatastore）中的信息。此信息包含已被安装在计算机上的所有操作系统的配置信息。并且用以生成启动菜单。当您在启动菜单中选择下列动作时：如果您选择的是Windows7，Windows启动管理器(WindowsBootManager)运行%SystemRoot%\System32文件夹中的OSloader——Winload.exe。Windows7的启动过程如果您选择的是自休眠状态恢复Windows7，那么启动管理器将装载Winresume.exe并恢复您先前的使用环境。如果您在启动菜单中选择的是早期的Windows版本，启动管理器将定位系统安装所在的卷，并且加载WindowsNT风格的早期OSloader(Ntldr.exe)——生成一个由boot.ini内容决定的启动菜单。Windows7的启动过程3、核心文件加载及登录Windows7启动时，加载其核心文件Ntoskrnl.exe和hal.dll——从注册表中读取设置并加载驱动程序。接下来将运行Windows会话管理器(smss.exe)并且启动Windows启动程序(Wininitexe)，本地安全验证(Lsass.exe)与服务(services.exe)进程，完成后，您就可以登录您的系统了。实模式处理器被复位或者加电的时候以实模式启动。这时候处理器中各寄存器以实模式的初始化值工作。80386处理器在实模式下的存储器寻址方式和8086是一样的，由段寄存器的内容乘以16当做基地址，加上段内的偏移地址形成最终的物理地址，这时候它的32位地址线只使用了低20位。在实模式下，80386处理器不能对内存进行分页管理，所以指令寻址的地址就是内存中实际的物理地址。在实模式下，所有的段都是可以读、写和执行的。实模式实模式下80386不支持优先级，所有的指令相当于工作在特权级（优先级0），所以它可以执行所有特权指令，包括读写控制寄存器CR0等。实际上，80386就是通过在实模式下初始化控制寄存器，GDTR，LDTR，IDTR与TR等管理寄存器以及页表，然后再通过加载CR0使其中的保护模式使能位置位而进入保护模式的。当然，实模式下不支持硬件上的多任务切换。实模式实模式下的中断处理方式和8086处理器相同，也用中断向量表来定位中断服务程序地址。中断向量表的结构也和8086处理器一样：每4个字节组成一个中断向量，其中包括两个字节的段地址和两个字节的偏移地址。从编程的角度看，除了可以访问80386新增的一些寄存器外，实模式的80386处理器和8086有什么进步呢？实模式其实最大的好处是可以使用80386的32位寄存器，用32位的寄存器进行编程可以使计算程序更加简捷，加快了执行速度。比如在8086时代用16位寄存器来完成32位的乘法和除法时，要进行的步骤实在是太多了，现在用32位寄存器一条指令就可以完成。80386中增加的两个辅助段寄存器FS和GS在实模式下也可以使用，这样，同时可以访问的段达到了6个而不必考虑重新装入的问题；最后，很多80386的新增指令也使一些原来不很方便的操作得以简化。保护模式当80386工作在保护模式下的时候，它的所有功能都是可用的。这时80386所有的32根地址线都可供寻址，物理寻址空间高达4GB。在保护模式下，支持内存分页机制，提供了对虚拟内存的良好支持。虽然与8086可寻址的1MB物理地址空间相比，80386可寻址的物理地址空间可谓很大，但实际的微机系统不可能安装如此大的物理内存。所以，为了运行大型程序和真正实现多任务，虚拟内存是一种必需的技术。保护模式保护模式下80386支持多任务，可以依靠硬件仅在一条指令中实现任务切换。任务环境的保护工作是由处理器自动完成的。在保护模式下，80386处理器还支持优先级机制，不同的程序可以运行在不同的优先级上。优先级一共分0～3共4个级别，操作系统运行在最高的优先级0上，应用程序则运行在比较低的级别上。保护模式配合良好的检查机制后，既可以在任务间实现数据的安全共享也可以很好地隔离各个任务。从实模式切换到保护模式是通过修改控制寄存器CR0的控制位PE（位0）来实现的。在这之前还需要建立保护模式必需的一些数据表，如全局描述符表GDT和中断描述符表IDT等。DOS操作系统运行于实模式下，而Windows操作系统运行于保护模式下。虚拟8086模式虽说实模式兼容以前的系统，但是设想一下，如果Windows或80386处理器推出的时候宣布不能运行以前的MS-DOS程序，那么就等于放弃了一个巨大的软件库，Windows以及80386处理器可能就会落得和苹果机一样的下场，这是Microsoft和Intel都不愿看到的。举个简单的例子，当你正兴高采烈地计划利用80386多任务并行的特性，边欣赏大片边完成编程作业时，发觉原来的文档要用到原来的系统才能打开……虚拟8086模式由于这种特殊需求的普遍性，虚拟8086应运而生！虚拟86模式是以任务形式在保护模式上执行的，在80386上可以同时支持由多个真正的80386任务和虚拟86模式构成的任务。在虚拟86模式下，80386支持任务切换和内存分页。在Windows操作系统中，有一部分程序专门用来管理虚拟86模式的任务，称为虚拟86管理程序。既然虚拟86模式以保护模式为基础，它的工作方式实际上是实模式和保护模式的混合。虚拟8086模式为了和8086程序的寻址方式兼容，虚拟86模式采用和8086一样的寻址方式，即用段寄存器乘以16当做基址再配合偏移地址形成线性地址，寻址空间为1MB。但显然多个虚拟86任务不能同时使用同一位置的1MB地址空间，否则会引起冲突。操作系统利用分页机制将不同虚拟86任务的地址空间映射到不同的物理地址上去，这样每个虚拟86任务看起来都认为自己在使用0～1MB的地址空间。虚拟8086模式8086代码中有相当一部分指令在保护模式下属于特权指令，如屏蔽中断的cli和中断返回指令iret等。这些指令在8086程序中是合法的。如果不让这些指令执行，8086代码就无法工作。为了解决这个问题，虚拟86管理程序采用模拟的方法来完成这些指令。虚拟86管理程序在异常处理程序中检查产生异常的指令，如果是中断指令，则