谈谈分段机制

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在Lab2的笔记中，比较详细地描述了内存管理中的分页机制，但是并没有讲分段机制。这篇文章试着讲讲。

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           Selector  +--------------+         +-----------+
          ---------->|              |         |           |
                     | Segmentation |         |  Paging   |
Software             |              |-------->|           |---------->  RAM
            Offset   |  Mechanism   |         | Mechanism |
          ---------->|              |         |           |
                     +--------------+         +-----------+
            Virtual                   Linear                Physical


这是整个地址的转换过程。

从实模式讲起

在实模式中，需要寻址20位的空间，2^20即1MB。但4个相关的寄存器CS(code segment), DS(data segment), SS(stack segment), ES(extra segment)都是16位的。寻址时用到16位的CS和一个16位的IP(Instruction Pointer)：把16位的CS左移4位，低4位就全为0，再加上16位的IP，得到20位的地址，即为物理地址。这样也被称为CS:IP对。
注意：每个segment都是16位的，2^16(64KB)。但每段并不一定用完这64KB。而且不同的CS:IP对也可能计算得出相同的物理地址，所以在内存空间中，不同的segment可能会有重叠。

保护模式

80286中的保护模式

从80286中，有了保护模式，现在可寻址24位的空间，2^24(16MB)。但并不是通过继续左移CS来完成的。现在的CS里有一个index，指向一个segment descriptor，在这个descriptor中有一个24位的基地址，用16位的IP加上这个基地址就得到了物理地址。

80386中的保护模式

80386在分段后多了一个分页机制，还多了两个段寄存器FS和GS，CPU没有指定这两个寄存器的用途。下面是80386的一些寄存器。
80386的寄存器.JPG
主要看segment register，每个寄存器都是16位，但是还有不可见部分。
可见与不可见.JPG
在可见部分的16位，结构如下：
可见的16位.JPG
每个16位中都有13位的index，最多可指向2^13(8192)个descriptor。Table Indicator指示是GDT还是LDT。RPL是保护模式中的等级。
GDT(global descriptor table)就像一个数组，每项为64位(8byte)，最多可以有8192项，每项的结构为：
segment descriptor.JPG
有32位的基地址，segment limit的长度为20位。其他的是一些权限、控制位。

保护模式的流程

在80386中，有GDT和LDT。通过SGDT(store)得到GDTR(GDT Register)，GDTR里存储了GDT的基地址和GDT的大小。LGDT(load)存入GDTR。LDT同理。寻址时，通过DS/CS等segment register中的index找到对应的index，乘以8后加上GDTR中的基地址，即可找到对应的项（index*8+基地址，*8是因为segment descriptor的大小为8byte）。在segment descriptor中得到对应的segment的基地址后，加上32位的EIP，形成线性地址，下一步就是分页。
通过这种方式，使得GDT和LDT存储了一些全局的和局部的descriptor，程序运行时，通过对应的segment register找到这些descriptor，这样就形成了分段。通过不同的段进行第一层的内存管理。

扁平模式

然而，后来的操作系统并不想使用这个从16位系统遗留下来的分段机制。但是CPU为了兼容性还保留了分段机制，而且不能关闭，所以许多操作系统模拟扁平模式。具体做法是让kernel CS/kernel DS/user CS/user DS对应的segment descriptor基地址都为0，limit都为4GB，这样就使得通过分段后，得到的线性地址为0+EIP还是等于EIP，分段对EIP无影响。而EIP是32位的，已经能独立寻址4GB的空间，也是在limit的范围之内的。通过这种方式，在不关闭分段机制的前提下使得地址转换不受分段机制的影响。
有一个问题是limit位只有20位，如何能表示32位(4GB)的空间？这是因为在segment descriptor中有一个Granularity位，为0时表示limit的单位为byte，此时最多包括2^20(1MB)的空间；为1时表示limit的单位为4096byte(一页)，此时最多包括2^20(1M)*4KB=4GB的空间，和之前的是相对应的。

参考：