8086处理器中，如何利用段机制对内存进行寻址？

什么是代码段？

什么是数据段？

数据的类型和长度

寻址范围

栈

实模式和保护模式

Linux 中的分段策略

饭是一口一口的吃，计算机也是一步一步的发展，例如下面这张英特尔公司的 CPU 型号历史：

为了利用性能越来越强悍的计算机，操作系统的也是在逐步变得膨胀和复杂。

为了从最底层来学习操作系统的一些基本原理，我们只有抛开操作系统的外衣，从最原始的硬件和编程方式来入手，才能了解到一些根本的知识。

这篇文章我们就来继续挖掘一下，8086 这个开天辟地的处理器中，是如何利用段机制来对内存进行寻址的。

什么是代码段？

在上一篇文章：Linux 从头学 01：CPU 是如何执行一条指令的？ 中，已经提到过，在处理器的内部，执行每一条指令码时，CPU 是非常机械、非常单纯地从 CS：IP 这 2 个寄存器计算得到转换后的物理地址，从这个物理地址所指向的内存地址处，读取一定长度的指令，然后交给逻辑运算单元（Arithmetic Logic Unit， ALU）去执行。

物理地址的计算方式是：CS ＊ 16 ＋ IP。

当 CPU 读取一条指令后，根据指令操作码它能够自动知道这条指令一共需要读取多少个字节。

指令被读取之后，IP 寄存器中的内容就会自增，指向内存中下一条指令的地址。

例如，在内存 20000H 开始的地方，存在 2 条指令：

mov ax， 1122Hmov bx， 3344H

当执行第一条指令时，CS ＝ 2000H，IP ＝ 0000H，经过地址转换之后的物理地址是：2000H ＊ 16 ＋ 0000 ＝ 20000H（乘以 16 也就表示十六进制的数左移 1 位）：

当第一条指令码 B8 22 11 这 3 个字节被读取之后，IP 寄存器中的内容自动增加 3｀，从而指向下一条指令：

当第二条指令码 BB 44 33 这 3 个字节被读取之后，IP 寄存器中的内容又增加 3，变为 0006H。

正如上篇文章所写，CPU 只是反复的从 CS：IP 指向的内存地址中读取指令码、执行指令，再读取指令码、再执行指令。

可以看出，要完成一个有意义的工作，所有的指令码必须集中在一起，统一放在内存中某个确定的地址空间中，才能被 CPU 依次的读取、执行。

内存中的这块地址空间就叫做一个段，又因为这个段中存储的是代码编译得到的指令，因此又称作代码段。

因此，用来对代码段进行寻址的这两个寄存器 CS 和 IP，它们的含义就非常清楚了：

CS： 段寄存器，其中的值左移 1 位之后，得到的值就表示代码段在内存中的首地址，或者称作基地址；

IP： 指令指针寄存器，表示一条指令的地址，距离基地址的偏移量，也就是说，IP 寄存器是用来帮助 CPU 记住：哪些指令已经被处理过了，下一个要被处理的指令是哪一个；

什么是数据段？

作为一个有意义的程序，仅仅只有指令是不够的，还必须操作数据。

这些数据也应该集中放在一起，位于内存中的某个地址空间中，这块地址空间，也是一个段，称作数据段。

也就是说：代码段和数据段，就是内存中的两个地址空间，其中分别存储了指令和数据。

可以想象一下：假如指令和数据不是分开存放的，而是夹杂放在一起，那么 CPU 在读取一条指令时，肯定就会把数据当做指令来读取、执行，就像下面这样，不发生错误才怪呢！

CPU 对内存中数据段的访问方式，与访问代码段是类似的，也是通过一个基地址，再加上一个偏移量来得到数据段中的某个物理地址。

在 8086 处理其中，数据段的段寄存器是 DS，也就是说，当 CPU 执行一条指令，这条指令需要访问数据段时，就会把 DS 这个数据段寄存器中的值左移 1 位之后得到的地址，当做数据段的基地址。

遗憾的是，CPU 中并没有提供一个类似 IP 寄存器的其他寄存器，来表示数据段的偏移地址寄存器。

这其实并不是坏事，因为一个程序在处理数据时，需要对数据进行什么样操作，程序的开发者是最清楚的，因此我们就可以用更灵活的方式来告诉 CPU 应该如何计算数据的偏移地址。

就像猴子掰苞米一样，不需要按照顺序来掰，想掰哪个就掰哪个。同样的，程序在操作数据时，无论操作哪一个数据，直接给出该数据的偏移地址的值就可以了。

数据的类型和长度

但是，在操作数据段中每一个数据，有一个比较重要的概念需要时刻铭记：数据的类型是什么，这个数据在内存中占据的字节数是多少。

我们在高级语言编程中（eg： C 语言），在定义一个变量的时候，必须明确这个变量的类型是什么。一旦类型确定了，那么它在被加载到内存中之后，所占据的空间大小也就确定了。

比如下面这张图：

假设 30000H 是数据段的基地址（也就意味着 DS 寄存器中的内容是 3000H），那么 30000H 地址处的数据大小是多少：11H？2211H？还是 44332211H？

这几个都有可能，因为没有确定数据的类型！

我们知道，在 C 语言中，假如有一个指针 ptr 最终指向了这里的 30000H 物理地址处（C 代码中的 ptr 是虚拟地址，经过地址转换之后执行这里的 30000H 物理地址）。

如果 ptr 定义成：

char ＊ptr；

那么可以说 ptr 指针指向的数值是 11H。

如果 ptr 定义成：

int ＊ptrt；

就可以说 ptr 指针指向的数值就是 44332211H（假设是小端格式）。

也就是说，指针 ptr 指向的数据，取决于定义指针变量时的类型。

这是高级语言中的情况，那么在汇编语言中呢？

PS： 之前我曾说过，文章的主要目的是学习 Linux 操作系统，但是为了学习一些相对底层的内容，在开始阶段必须抛开操作系统的外衣，进入到硬件最近的地方去看。

但是该怎么看呢？还是要借助一些原始的手段和工具，那么汇编代码无疑就是最好的、也是唯一的手段；

不过，涉及到的汇编代码都是最简单的，仅仅是为了说明原理；

在汇编语言中，CPU 是通过指令码中的相关寄存器来判断操作数据的长度。

在上一篇文章中说过，相对于寄存器来说，CPU 操作内存的速度是很慢的。

因此，CPU 在对数据段中的数据进行处理的时候，一般都是先把原始数据读取到通用寄存器中（比如：ax， bx， cx dx），然后进行计算。

得到计算结果之后，再把结果写回到内存的数据段中（如果需要的话）。

那么 CPU 在读写数据时，就根据指令码中使用的寄存器，来决定读写数据的长度。例如：

mov ax， ［0］

其中的 ［0］ 表示内存的数据段中偏移地址是 0 的位置。

CPU 在执行这条指令的时候，就会到 30000H（假设此时数据段寄存器 DS 的值为 3000H） 这个物理地址处，取出 2 个字节的数据，放到通用寄存器 ax 中，此时 ax 寄存器中的值就是 2211H。

为什么取出 2 个字节？因为 ax 寄存器的长度是 16 位，就是 2 个字节。

那如果只想取 1 个字节，该怎么办？

16 位的通用寄存器 ax 可以拆成 2 个 8 位的寄存器里使用：ah 和 al。

mov al， ［0］

因为指令码中的 al 寄存器是 8 位，因此 CPU 就只读取 30000H 处的一个字节 11，放到 al 寄存器中。（此时 ax 寄存器的高 8 位，也就是 ah 中的值保持不变）

那如果想取 3 个字节或 4 个字节怎么办？

作为相当古老的处理器，8086 CPU 中是 16 位的，只能对 8 位或 16 位的数据进行操作。

寻址范围

从以上内容可以总结得出：

代码段和数据段都是通过 【基地址 ＋ 偏移地址】的方式进行寻址；

基地址都放在各自的段寄存器中，CPU 会自动把段寄存器的值，左移 1 位之后，作为段的基地址；

偏移地址决定了段中的每一个具体的地址，最大偏移地址是 16 个 bit1，也即是 64KB 的空间；

注意：这里的段寄存器左移 1 位，是指十六进制的左移，相当于是乘以 16，因此段的基地址都是 16 的倍数。

我们再来看一下这里的 64 KB 空间，与 20 根地址线有什么瓜葛。

上篇文章说到：8086 处理器有 20 根地址线，一共可以表示 1MB 的内存空间，即使给它更大的空间，它也没有福气去享受，因为寻址不到大于 1 MB 的地址空间啊！

这 1MB 的内存空间，就可以分割为很多个段。

例如：第 1 个段的地址范围是：

我们来计算最后一个段的空间。

段寄存器和偏移地址都取最大值，就是 FFFF：FFFF，先偏移再相加：FFFF0 ＋ FFFF ＝ 10FFEF ＝1M ＋ 64K － 16Bytes。

超过了 1 MB 的空间大小，但是毕竟只有 20 根地址线，肯定是无法寻址超过 1 MB 地址空间的，因此系统会采取回绕的方式来定位到一个地址空间，类似与数学中的取模操作。

此外还有一点，在表示一个内存地址的时候，一般不会直接给出物理地址的值（比如：3000A），而是使用 段地址：偏移地址 这样的形式来表示（比如：3000：000A）。

栈

栈也是数据空间的一种，只不过它的操作方式有些特殊而已。

栈的操作方式就是 4 个字：后进先出。

在上面介绍数据段的时候，我们都是在指令码中手动对数据的偏移地址进行设置，指哪打哪，因为这些数据放在什么位置、表示什么意思、怎么来使用，开发者自己心里最门清。

但是栈有些不一样，虽然它的功能也是用来存储数据的，但是操作栈的方式，是由处理器提供的一些专门的指令来操作的：push 和 pop。

push（入栈）： 往栈空间中放入一个数据；pop（出栈）： 从栈空间中弹出一个数据；

注意：这里的数据是固定 2 个字节，也就是一个字。

写过 C／C＋＋ 程序的小伙伴都知道：在函数调用的时候，存在入栈操作；在函数返回的时候，存在出栈操作。

既然栈也是指一块内存空间，那么也就是表现为内存中的一个段。

既然是一个段，那肯定就存在一个段寄存器，用来代表它的基地址，这个栈的段寄存器就是 SS。

此外，由于栈在入栈和出栈的时候，是按照连续的地址顺序操作的，因此处理器为栈也提供了一个偏移地址寄存器：SP（称作：栈顶指针），指向栈空间中最顶上的那个元素的位置。

例如下面这张图：

栈空间的基地址是 1000：0000，SS：SP 执行的地址空间是栈顶，此时栈顶中的元素是 44。

当执行下面这 2 条指令时：

mov ax， 1234Hpush as

栈顶指针寄存器 SP 中的值首先减 2，变成 000A：

然后，再把寄存器 ax 中的值 1234H 放入 SS：SP 指向的内存单元处：

出栈的操作顺序是相反的：

pop bx

首先把 SS：SP 指向的内存单元中的数据 1234H 放入寄存器 bx 中，然后把栈顶指针寄存器 SP 中的值加 2，变成 000C：

以上描述的是 8086 处理器中对栈操作的执行过程。

如果你看过其他一些栈相关的描述书籍，可以看出这里使用的是 “满递减” 的栈操作方式，另外还还有：满递增，空递减，空递增 这几种操作方式。

满：是指栈顶指针指向的那个空间中，是一个有效的数据。当一个新数据入栈时，栈顶指针先指向下一个空的位置，然后 把数据放入这个位置；

空：是指栈顶指针指向的那个空间中，是一个无效的数据。当一个新数据入栈时，先把数据放入这个位置，然后栈顶指针指向下一个空的位置；

递增：是指在数据入栈时，栈顶指针向高地址方向增长；

递减：是指在数据入栈时，栈顶指针向低地址方向递减；

实模式和保护模式

从以上对内存的寻址方式中可以看出：只要在可寻址的范围内，我们写的程序是可以对内存中任意一个位置的数据进行操作的。

这样的寻址方式，称之为实模式。实，就是实在、实际的意思，简洁、直接，没有什么弯弯绕。

既然编写代码的是人，就一定会犯一些低级的小错误。或者一些恶意的家伙，故意去操作那些不应该、不可以被操作的内存空间中的代码或数据。

为了对内存进行有效的保护，从 80386 开始，引入了 保护模式 来对内存进行寻址。

有些书籍中会提到 IA－32A 这个概念，IA－32 是英特尔 Architecture 32－bit简称，即英特尔32位体系架构，也是在386中首先采用。

虽然引进了保护模式，但是也存在实模式，即向前兼容。电脑开机后处于实模式，BIOS 加载主引导记录以及进行一些寄存器的设置之后就进入保护模式。

从 386 以后引入的保护模式下，地址线变成了 32 根，最大寻址空间可以达到 4GB。

当然，处理器中的寄存器也变成了 32 位。

我们还是用 段基址 ＋ 偏移量 的方式来计算一个物理地址，假设段寄存器中内容为 0，偏移地址最大长度也是 32 位，那么一个段能表示的最大空间也就是 4GB 。

这也是为什么如今现代处理器中，每个进程的最大可寻址空间是 4GB（一般指的是虚拟地址）。

一句话总结：实模式和保护模式最根本的区别就是 内存是否收到保护。

Linux 中的分段策略

上面描述的分段机制是 x86 处理器中所提供的一种内存寻址机制，这仅仅是一种机制而已。

在 x86 处理器之上，运行着 Windows、Linux 获取其它操作系统。

我们开发者是面对操作系统来编程的，写出来的程序是被操作系统接管，并不是直接被 x86 处理器来接管。

相当于操作系统把应用程序和 x86 处理器之间进行了一层隔离：

因此，如何利用 x86 提供的分段机制是操作系统需要操心的问题。

而操作系统提供什么样的策略给应用程序来使用，这就是另外一个问题了。

那么，Linux 操作系统是如何来包装、使用 x86 提供的段寻址方式的呢？

是否还记得上一篇文章中的这张图：

这是 Linux2．6 版本中四个主要的段描述符，这里先不用管段描述符是什么，它们最终都是用来描述内存中的一块空间而已。

在现代操作系统中，分段和分页都是对内存的划分和管理方式，在功能上是有点重复的。

Linux 以非常有限的方式使用分段，更喜欢使用分页方式。

上面的这张图，一共定义了 4 个段，每一个段的基地址都是 0x00000000，每一个段的 Limit 都是 0xFFFFF。

从 Limit 的值可以得到：最大值是 2 的 20 次方，只有 1 MB 的空间。

但是其中的 G 字段表示了段的粒度，1 表示粒度是 4 K，因此 1 MB ＊ 4K ＝ 4 GB ，也就是说，段的最大空间是 4 GB。

这 4 个段的基地址和寻址范围都是一样的！主要的区别就是 Type 和 DPL 字段不同。

DPL 表示优先级，2 个用户段（代码段和数据段） 的优先级值是 3，优先级最低（值越大，优先级越低）；2 个内核段（代码段和数据段）的优先级值是 0，优先级最高。

因此，可以得出 Linux 系统中的一个重要结论：逻辑地址与线性地址，在数值上是相等的，因为基地址是 0x00000000。

关于 Linux 中的内存分段和分页寻址方式更详细的内容，我们以后再慢慢聊。