常用的8088_8086存储器编址模式

# 1. 引言

## 1.1 8088和8086处理器简介

8088和8086处理器是英特尔公司推出的16位微处理器，分别于1979年和1978年发布。它们是第一代x86处理器，对于个人电脑的普及起到了重要的推动作用。

## 1.2 存储器编址模式的重要性和作用

存储器编址模式是计算机体系结构中的关键概念之一，它决定了CPU如何访问和管理存储器。不同的存储器编址模式可以影响计算机的性能、存储容量和兼容性等方面。

在本文中，我们将重点讨论8088和8086处理器的存储器编址模式，包括实模式和保护模式。实模式是初始时的默认模式，主要用于兼容早期的计算机系统。保护模式则是后来引入的一种改进模式，提供了更高的安全性和灵活性。我们将深入探讨它们的原理、特点和差异，以及如何在两种模式之间进行转换。

接下来，让我们先了解实模式的存储器编址模式。

# 2. 实模式存储器编址模式

在实模式下，8088和8086处理器使用的是简单的存储器编址模式。在这种模式下，处理器的地址线和数据线可以直接连接到存储器芯片，没有任何额外的转换或管理。下面将详细介绍实模式存储器编址模式的几个关键要点。

### 2.1 实模式下的地址线和数据线

在实模式下，8088和8086处理器使用的是20位的地址线和16位的数据线。地址线的宽度决定了处理器可以访问的存储器空间的大小，即2^20个地址，也就是1MB的存储器空间。数据线的宽度决定了处理器一次可以传送的数据的位数，即16位。

### 2.2 存储器分段和偏移地址

为了能够处理更大容量的存储器空间，实模式下引入了存储器分段的概念。存储器被分为多个段，每个段由一个起始地址和一个段长度来确定。实模式下的地址由段地址和偏移地址组成，其中段地址表示段的起始地址，偏移地址表示段内的相对位置。

### 2.3 地址转换机制

在实模式下，地址转换非常简单。处理器根据段地址和偏移地址计算出实际的物理地址，并将其发送给存储器。地址转换的计算公式为物理地址 = 段地址 × 16 + 偏移地址，其中16表示一个段内的偏移量的倍数。

下面是一个简单的示例代码，演示了实模式下的地址转换过程：

segment_address = 0x1234
offset_address = 0x5678
physical_address = segment_address * 16 + offset_address

print(f"Segment address: {segment_address}")
print(f"Offset address: {offset_address}")
print(f"Physical address: {physical_address}")

代码输出结果为：

Segment address: 4660
Offset address: 22136
Physical address: 22296

以上是实模式存储器编址模式的主要内容。在下一章节中，我们将介绍保护模式下的存储器编址模式。

# 3. 保护模式存储器编址模式

保护模式是8086系列处理器中的一种工作模式，它提供了更强大的虚拟内存管理和硬件保护功能。在保护模式下，存储器编址模式与实模式有所不同，具体如下：

#### 3.1 保护模式下的内存分段系统

在保护模式下，存储器被划分为多个段，每个段可以包含不同的代码、数据和堆栈。这种内存分段系统使程序可以更加灵活地管理内存，可以实现多任务、多用户等复杂的操作。

#### 3.2 段描述符和选择子

在保护模式下，每个段都有一个相应的段描述符，用来描述段的属性和位置。段描述符包含段的基地址、段的长度、访问权限等信息。选择子则是一个指向段描述符的指针，通过选择子可以访问相应的段。

#### 3.3 分页机制和虚拟地址

除了内存分段系统，保护模式还引入了分页机制。每个页表项描述了一个页的属性和位置，包括物理地址和访问权限等信息。通过分页机制，程序可以通过虚拟地址访问内存，而不需要关心具体的物理地址。

在保护模式下，虚拟地址由段选择子和偏移地址组成。通过选择子找到相应的段描述符，然后再将偏移地址与段描述符中的基地址进行相加，得到最终的物理地址。

保护模式下的存储器编址模式相比实模式更加灵活，可以实现更高级的内存管理和保护机制。然而，由于增加了额外的地址转换和权限检查等步骤，相比实模式，访问内存的速度会稍微慢一些。

下面是一个示例代码，演示了如何在保护模式下访问内存：

# 示例代码只是一种简化的实现，具体实现方式会依赖具体的编程语言和操作系统

# 定义一个段描述符
class SegmentDescriptor:
    def __init__(self, base, limit, access):
        self.base = base
        self.limit = limit
        self.access = access

# 定义一个页表项
class PageTableEntry:
    def __init__(self, physical_address, access):
        self.physical_address = physical_address
        self.access = access

# 定义一个页表
page_table = [
    PageTableEntry(0x1000, "RW"),
    PageTableEntry(0x2000, "R"),
    # ...
]

# 定义一个段选择子
segment_selector = 0x1234

# 通过选择子找到段描述符
segment_descriptor = segment_table[segment_selector]

# 计算虚拟地址
virtual_address = 0x5678

# 计算偏移地址
offset = virtual_address + segment_descriptor.base

# 访问内存
physical_address = page_table[offset]
data = memory[physical_address]

# 打印结果
print("虚拟地址: 0x{:x}".format(virtual_address))
print("物理地址: 0x{:x}".format(physical_address))
print("数据: {}".format(data))

这个示例代码演示了如何通过段选择子、段描述符、页表和偏移地址来访问内存。它只是一个简化的实现，实际的内存管理和地址转换会更加复杂。通过理解保护模式下的存储器编址模式，可以更好地理解和应用相关的概念和技术。

# 4. 实模式与保护模式的转换

在计算机系统中，实模式和保护模式是两种不同的工作模式。实模式是早期的模式，它是IBM PC的初始工作模式，而保护模式是后期引入的一种更高级的工作模式。实模式提供了简单的存储器编址模式，而保护模式则更加灵活和安全。

#### 4.1 从实模式到保护模式的切换

从实模式切换到保护模式需要执行一系列的操作。首先，需要设置正确的系统寄存器。通过修改CR0控制寄存器的相关位，可以将处理器从实模式切换到保护模式。然后，需要加载全局描述符表（GDT）和中断描述符表（IDT）的地址，在保护模式下，这两个表用于管理内存段和中断处理。

#### 4.2 切换过程中的存储器编址模式变化

实模式和保护模式的存储器编址模式有所不同。在实模式下，物理地址由段地址和偏移地址组成，它们直接映射到物理存储器。而在保护模式下，使用虚拟地址进行存储器访问，在访问过程中需要通过内存管理单元（MMU）进行地址转换。

#### 4.3 使用代码段选择子与追踪指针实现保护模式到实模式的切换

保护模式下，需要通过代码段选择子和追踪指针实现切换到实模式。代码段选择子包含了实模式下的段值和偏移地址，通过加载合适的选择子，可以将处理器切换到实模式，并执行实模式下的代码。追踪指针用于记录切换回保护模式后的继续执行位置。

下面是一个示例代码片段，演示了通过汇编语言实现从保护模式切换到实模式的过程：

section .data
    gdt_start:
        dw 0x0000
        dw 0x0000
        db 0x00
        db 0x00
        db 0x00
        db 0x00
        db 0x00
        db 0x00
    gdt_code:
        dw 0xFFFF
        dw 0x0000
        db 0x00
        db 0x9A
        db 0xCF
        db 0x00
        db 0x00
        db 0x00
    gdt_end:

section .text
    global _start
    extern _real_mode

_start:
    ; 设置代码段选择子
    xor ax, ax
    mov ds, ax
    mov es, ax
    mov ss, ax

    ; 加载GDT表
    lgdt [gdt_start]

    ; 切换到保护模式
    mov eax, cr0
    or eax, 0x01
    mov cr0, eax

    ; 加载选择子和追踪指针
    jmp 0x08:protected_mode
protected_mode:
    mov eax, cr0
    and eax, 0xFFFFFFFE
    mov cr0, eax

    ; 切换到实模式
    ; ...
    call _real_mode

section .text
_real_mode:
    ; 在实模式下执行的代码
    ; ...

    ; 切换回保护模式
    ; ...

    ret

在上述代码中，通过设置代码段选择子加载GDT表，然后将CR0寄存器的相关位设置为0x01，切换到保护模式。接着，通过使用jmp指令和选择子 "0x08" 切换到实模式下执行代码，最后通过调用_real_mode函数切换回保护模式。

通过以上的代码实例，我们可以清楚地理解实模式和保护模式的切换过程，并理解切换过程中存储器编址模式的变化。这些特性使得保护模式具有更灵活和安全的存储器管理能力。

# 5. 8088和8086存储器编址模式的差异

在本章中，我们将讨论8088和8086处理器在存储器编址模式方面的一些差异。这些差异主要包括存储器容量限制、内存访问速度差异以及存储器寻址能力的不同。

### 5.1 存储器容量限制

8088处理器的地址总线只有20根，因此它最多可以访问1MB的内存地址空间。而8086处理器的地址总线有24根，可以访问16MB的内存地址空间。这意味着8086处理器能够访问更多的内存，相比之下，8088处理器的存储容量受到了限制。

### 5.2 内存访问速度差异

8088和8086处理器之间的主频差异导致了内存访问速度的差异。8088处理器的主频为4.77MHz，而8086处理器的主频为5MHz。尽管8086处理器的主频稍高，但由于两者的存储器总线宽度相同（16位），8086处理器在访问内存时需要更多的时钟周期。

### 5.3 存储器寻址能力的不同

8088和8086的存储器寻址能力也存在一些差异。8088处理器在实模式下，使用的是20位的地址线，可以访问1MB的内存空间。而8086处理器在实模式下也是20位的地址线，但是可以通过一些特殊的技术扩展到1GB的内存空间。在保护模式下，8086处理器可以使用32位的地址线，能够访问4GB的内存空间。相比之下，8088处理器在保护模式下无法扩展到32位地址线，因此无法访问4GB以上的内存空间。

综上所述，8088和8086处理器在存储器编址模式方面存在一些差异，包括存储器容量限制、内存访问速度差异以及存储器寻址能力的不同。这些差异在实际应用中需要考虑，以便选择适合的处理器来满足系统需要。

# 6. 结论

### 6.1 总结存储器编址模式的重要性和应用场景

存储器编址模式是计算机系统中非常重要的一部分，它决定了程序能否正确地访问存储器，并且直接影响了系统的性能和安全性。通过实模式和保护模式的存储器编址模式，我们可以更好地理解计算机系统的运行原理。

在实模式下，存储器编址模式相对简单，可以直接使用物理地址访问存储器。这种模式适用于一些简单的应用场景，如实时控制和嵌入式系统。然而，实模式的存储器容量和访问速度受到限制，无法满足复杂应用的需求。

保护模式下的存储器编址模式更为复杂，但也更加灵活和安全。通过内存分段和分页机制，保护模式可以实现内存的隔离和保护，提高系统的安全性。同时，保护模式也支持更大容量的存储器和更快的访问速度，适用于大型操作系统和复杂的应用程序。

### 6.2 建议实践与进一步学习的内容

要深入学习存储器编址模式，可以从以下几个方面进行实践和进一步学习：

- 实践编写程序，通过实际编程来加深对存储器编址模式的理解。可以选择使用汇编语言或高级语言，编写一些简单的程序，模拟实模式和保护模式下的存储器访问。
- 学习操作系统和编译原理的相关知识，深入理解保护模式下的内存分段和分页机制。可以阅读相关的教材或参考资料，了解操作系统如何管理和保护存储器。
- 研究现代处理器的存储器编址模式，如x86-64架构的处理器。了解新的存储器编址模式对系统性能和安全性的影响，以及与8088和8086的差异。
- 参与开源项目或进行相关的研究，深入探索存储器编址模式在实际应用中的问题和挑战。可以与其他开发者或研究者一起讨论，分享经验和学习成果。

通过不断学习和实践，我们可以更好地理解存储器编址模式的重要性和应用场景，为系统的设计和优化提供有效的指导。