2.7 80x86/Pentium系列微處理器工作模式

80x86/Pentium系列微處理器的工作模式共有4種，如表2-7所示。

不同的工作模式對存儲器的管理方法不同，下面介紹這幾種工作模式的特點。

1.實地址模式

實地址模式又稱為實模式。以8086為代表的16位微處理器只能工作于實地址模式，為了與16位微處理器兼容，32位的微處理器也設(shè)置了實地址模式。32位的微處理器工作在實地址模式下時，只相當(dāng)于一個快速的8086 CPU，基于8086的源程序代碼可以直接在32位微處理器上運行，另外，還能有效使用8086所不支持的尋址方式、32位寄存器和大部分32位微處理器才能支持的指令。

工作于實地址模式的微處理器具有如下特點：

① 尋址、存儲器管理和中斷機(jī)構(gòu)都與8086一致。

② 默認(rèn)操作數(shù)的長度是16位，但可超越訪問32位的寄存器，并可使用FS和GS作為附加數(shù)據(jù)段的段基址進(jìn)行尋址。

③ 只允許處理器尋址第一個1MB的存儲器空間， 32位微處理器的32位地址只有低20位地址有效，采用分段方式訪問存儲空間，每段大小固定為64KB。物理地址由段寄存器提供的16位段基址值左移4位加上段內(nèi)偏移地址構(gòu)成。

④ 存儲器中地址為FFFF0H～FFFFFH為初始化專用區(qū)，00000H～003FFH為中斷向量專用區(qū)，這兩個區(qū)域?qū)儆诒Ａ魠^(qū)，用戶不能隨意存取數(shù)據(jù)。

⑤ 只支持單任務(wù)工作方式

系統(tǒng)啟動或復(fù)位后，32位微處理器自動進(jìn)入實地址模式。

2.保護(hù)模式

保護(hù)模式又稱為虛地址模式。是由80286芯片引入的，以實現(xiàn)虛擬存儲管理，即在CPU結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置存儲器管理單元MMU，以實現(xiàn)將外部存儲器中由虛擬地址指定的程序映射到內(nèi)存中由物理地址指定的同一程序。在80286中存儲器管理采用段式存儲管理機(jī)制可實現(xiàn)16MB的物理地址空間和1GB的虛擬地址空間的訪問。80386采用段頁式存儲管理機(jī)構(gòu)，可提供4GB的物理地址空間和64TB的虛擬地址空間。關(guān)于虛擬存儲器的管理模式將在第5章講述。

計算機(jī)軟件是由系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件構(gòu)成，在實現(xiàn)其應(yīng)用時，系統(tǒng)軟件與各應(yīng)用軟件需要同時運行，

為了保證各軟件的相對獨立性，需要對存儲器采取相應(yīng)的管理措施即保護(hù)機(jī)制。保護(hù)機(jī)制有兩類，一類是多任務(wù)環(huán)境下的保護(hù)機(jī)制，是由軟件和硬件相互配合，通過給每一任務(wù)分配不同的虛擬地址空間，使每一任務(wù)有各自不同的虛擬-物理地址映射，以實現(xiàn)不同任務(wù)之間的完全隔離。另一類是同一任務(wù)內(nèi)的保護(hù)機(jī)制，即對任務(wù)設(shè)立特權(quán)級實現(xiàn)的，如圖2-31所示。特權(quán)級分為0～3四級，數(shù)值最低的特權(quán)級最高。如特權(quán)級1的代碼可以訪問特權(quán)級1的數(shù)據(jù)及特權(quán)級2、3的代碼和數(shù)據(jù)，但不能訪問特權(quán)級0的代碼和數(shù)據(jù)。

工作于保護(hù)模式的微處理器具有如下特點：

① 可以使用四級保護(hù)功能，實現(xiàn)程序間、程序與用戶間、用戶與操作系統(tǒng)間的隔離和保護(hù)，為多任務(wù)操作系統(tǒng)提供優(yōu)化支持。

② 存儲器可用物理地址空間、虛擬地址空間和線性地址空間（除80286外）三種方式描述，在保護(hù)模式下，尋址是通過描述符表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對主存單元的訪問。

③ 在保護(hù)模式下，借助存儲器管理部件MMU將外存空間有效地映射到內(nèi)存，使用戶編程時使用的存儲空間大大超過實際物理地址空間。

3.虛擬8086模式

根據(jù)前述，32位的微處理器在實地址模式下不支持保護(hù)和多任務(wù)機(jī)制，但很多時候需要在多任務(wù)環(huán)境的保護(hù)模式下運行基于8086的程序。為了解決這一問題，32位的微處理器從80386開始支持在保護(hù)和多任務(wù)的環(huán)境中直接運行基于8086編寫的程序，這就是虛擬8086模式。

在虛擬8086模式下，32位微處理器允許同時運行8086的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序以及32位操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序，既能正確運行基于8086的源程序代碼，又能有效利用保護(hù)模式的多種功能，因而具有更好的靈活性。

工作于虛擬8086的微處理器具有的特點如下：

① 存儲器尋址空間1MB。

② 段寄存器及用法與實地址模式下完全相同。

③ 采用分頁管理，可把虛擬8086模式下的1MB物理地址空間映射到32位微處理器的4GB物理空間的任意位置。

在虛擬8086模式下中，基于8086的程序可以在保護(hù)模式的操作系統(tǒng)下運行，可以使用保護(hù)模式下的存儲管理機(jī)制、中斷和異常處理機(jī)制以及多任務(wù)機(jī)制等為8086任務(wù)提供管理與何護(hù)。

4.系統(tǒng)管理模式

系統(tǒng)管理模式是一個對所有Intel處理器都統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)特性。該模式為操作系統(tǒng)和核心程序提供節(jié)能管理和系統(tǒng)安全管理等機(jī)制。

進(jìn)入系統(tǒng)管理模式后，處理器首先保存當(dāng)前運行程序或任務(wù)的基本信息，然后切換到一個分開的地址空間，執(zhí)行系統(tǒng)管理相關(guān)的程序，退出系統(tǒng)管理模式，處理器將恢復(fù)原來程序的狀態(tài)。

處理器在系統(tǒng)管理模式下切換到的地址空間，稱為系統(tǒng)管理RAM，其使用類似實地址的存儲模型。

5.工作模式間的轉(zhuǎn)換

如前述，現(xiàn)代微處理器有4種工作模式：實地址模式、保護(hù)模式、虛擬8086模式和系統(tǒng)管理模式。這4種工作模式是靠微處理器的存儲管理機(jī)制實現(xiàn)的。

微處理器的工作模式及其相互轉(zhuǎn)換方法如圖2-32所示。對系統(tǒng)復(fù)位或?qū)R0中的PE位變?yōu)檫壿?后，處理器進(jìn)入實地址模式。通過給CR0寄存器中的PE位置1，微處理器將進(jìn)入保護(hù)模式，在進(jìn)行該操作前必須對其他方面做好初始化。通過將EFLAG寄存器中的VM位置為邏輯1就可由保護(hù)模式進(jìn)入虛擬8086模式。若要進(jìn)入系統(tǒng)存儲器管理模式，則可使Pentium處理器的SMI系統(tǒng)管理中斷輸入信號有效。使用RSM指令可以從系統(tǒng)存儲器管理模式中斷返回到被中斷程序的中斷點處。