BIOS与CPU模式切换：从实模式到保护模式解析

"本文主要探讨了现代PC操作系统中实模式与保护模式的硬件和软件原理，以及虚拟内存与总线寻址的关系。在系统启动时，无论是Intel x86架构还是ARM架构，CPU都会根据其初始状态执行特定的启动代码，如BIOS或IROM。这些启动代码负责加载更高级别的操作系统组件，最终进入保护模式，实现虚拟内存管理和高效的内存访问。" 在传统的8088/8086时代，计算机启动后，CPU默认工作在实模式，这是一种简单的寻址模式，其中的地址直接映射到物理内存。在这个模式下，CPU能够直接访问1MB的物理内存，但无法实现内存保护或者虚拟内存。随着技术的发展，Intel引入了保护模式，以支持多任务环境和内存保护，从而避免一个进程破坏其他进程的内存空间。 保护模式的关键在于段机制和分页机制。段机制允许CPU将物理内存划分为多个段，每个段有自己的基地址和限制，这使得可以实现内存保护和权限控制。分页机制则进一步将物理内存划分为固定大小的页，通过页表进行地址转换，使得虚拟地址可以映射到不同的物理地址，从而实现虚拟内存。虚拟内存系统使得程序可以认为拥有独立的、连续的内存空间，即使实际物理内存不足，也能通过交换到硬盘上的交换文件来扩展内存使用。 总线在这一过程中起着至关重要的作用。地址总线用于传输内存地址，数据总线用于传输数据，控制总线则协调这些操作。CPU将指令中的地址放到地址总线上，然后读取或写入数据。总线的宽度决定了CPU一次可以处理多少位数据，例如，32位总线一次可以传输32位数据。 在ARM架构中，处理器上电后直接进入32位模式，能直接寻址4GB的地址空间，其启动流程也涉及到类似的BIOS或IROM机制。IROM中的程序通常更简单，主要任务是从外部存储设备加载操作系统到内存中运行。与x86平台不同，ARM处理器的启动设备选择通常通过硬件引脚配置，而不是通过CMOS设置。 实模式与保护模式反映了计算机系统从早期的简单设计到现代复杂操作环境的演变。虚拟内存和总线寻址机制是现代操作系统能够高效、安全运行的基础，它们使得有限的物理内存可以被多个并发运行的程序共享，同时也为程序提供了更大的逻辑地址空间。