从零写 OS 内核-第四篇：进入保护模式（段式内存管理详解）
"保护模式 ≠ 分页！
它的第一道防线，是被现代 OS ‘悄悄绕过'的段机制。"
在前面几篇中，我们借助 GRUB 轻松启动了内核，输出了 "Hello World"，还理解了 Multiboot 协议。
但你是否想过：为什么 GRUB 要帮我们进入保护模式？它到底在保护什么？
今天，我们就来亲手完成这一历史性转变——从实模式（Real Mode）切换到保护模式（Protected Mode），并深入理解其核心：段式内存管理（Segmentation），包括 GDT、LDT 与段选择子的工作原理。
🔥 即便现代操作系统几乎"废弃"了段机制，理解它，仍是掌握 x86 架构的必经之路。
一、什么是实模式（Real Mode）？
实模式，是 x86 CPU 上电后的默认运行状态，源自 1978 年的 Intel 8086 处理器。
✅ 特点：
- 20 位地址线 → 最大寻址 1MB 内存（0x00000 ~ 0xFFFFF）
- 段:偏移寻址：物理地址 = 段寄存器 × 16 + 偏移
例如：CS:IP = 0x1000:0x0020→ 物理地址 =0x10000 + 0x20 = 0x10020 - 无内存保护：任何程序可读写任意内存（包括 BIOS 和显存）
- 无特权级：所有代码运行在"上帝模式"
💡 实模式就像一辆没有方向盘、没有刹车的老式拖拉机——简单，但极其危险。
❓ 为什么现代 CPU 还要从实模式启动？
为了兼容！
PC 兼容机必须能运行 1980 年代的老 DOS 程序，所以 CPU 上电后"假装自己是 8086"。
二、什么是保护模式（Protected Mode）？
保护模式由 Intel 80286（1982）引入，80386 起成为现代操作系统的基石。
✅ 核心优势：
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 32 位寻址 | 可访问 4GB 内存（后续通过 PAE/64 位扩展） |
| 内存保护 | 防止程序越界访问（段界限、权限检查） |
| 特权级（Ring 0~3） | 内核（Ring 0） vs 用户程序（Ring 3） |
| 虚拟内存基础 | 为分页（Paging）提供支持 |
🌟 保护模式下的内存访问，不再是"直接物理地址"，而是通过 段描述符表 进行翻译和校验。
三、关键机制：段描述符与段寄存器
在保护模式中，段寄存器（CS、DS、SS 等）不再直接存地址，而是存一个 段选择子（Segment Selector）。
🔍 段选择子结构（16 位）：
| 15 3 | 2 | 1 | 0 |
| Index | TI| RPL|
- Index：在 GDT/LDT 表中的索引（×8 得到字节偏移）
- TI（Table Indicator）：0 = GDT，1 = LDT
- RPL（Requested Privilege Level）：请求特权级（0~3）
📦 段描述符（64 位）
由 Index 指向的描述符，包含：
- 段基地址（32 位）
- 段界限（Limit）
- 类型（代码/数据/只读/可执行等）
- DPL（Descriptor Privilege Level）
- G 位（粒度：0=字节，1=4KB）
✅ CPU 通过 GDT（全局描述符表） 或 LDT（局部描述符表） 查找描述符。
四、GDT vs LDT：谁来管理"段"？
| 对比项 | GDT（Global Descriptor Table） | LDT（Local Descriptor Table） |
|---|---|---|
| 作用范围 | 全局，所有任务共享 | 局部，每个任务可有自己的 LDT |
| 数量 | 系统只有一个 | 可有多个（每个进程一个） |
| 使用频率 | 极高（内核、用户代码/数据段） | 极低（现代 OS 几乎不用） |
| 切换方式 | LGDT 指令加载 | 通过 GDT 中的一个特殊描述符指向 LDT |
📌 现代操作系统（如 Linux）几乎完全弃用 LDT，转而依赖分页机制实现内存隔离。
但在进入保护模式初期，GDT 是必须的！
五、实战：如何从实模式进入保护模式？
即使你用 GRUB 启动（它已切换），手动实现一次，才能真正理解。
以下是裸机环境下切换的完整步骤：
步骤 1：关闭中断
cli ; 禁用可屏蔽中断
步骤 2：加载 GDT
先定义 GDT（通常在汇编中）：
gdt_start:
dq 0x0 ; 空描述符（必须）
gdt_code:
dw 0xFFFF ; 段界限 0-15
dw 0x0 ; 基地址 0-15
db 0x0 ; 基地址 16-23
db 10011010b ; 类型：代码段，可读，DPL=0
db 11001111b ; 粒度：4KB，32位
db 0x0 ; 基地址 24-31
gdt_data:
dw 0xFFFF
dw 0x0
db 0x0
db 10010010b ; 数据段，可写，DPL=0
db 11001111b
db 0x0
gdt_end:
gdt_descriptor:
dw gdt_end - gdt_start - 1 ; GDT 大小
dd gdt_start ; GDT 起始地址
加载 GDT：
lgdt [gdt_descriptor]
步骤 3：设置 CR0 的 PE 位（Protection Enable）
mov eax, cr0
or eax, 0x1 ; 设置 bit 0 (PE)
mov cr0, eax
步骤 4：远跳转，刷新 CS 段寄存器
jmp 0x08:protected_mode_start ; 0x08 = GDT 中代码段选择子（Index=1, TI=0, RPL=0）
🔥 这一步至关重要！
因为jmp是远跳转（far jump），会同时加载CS和EIP，从而让 CPU 用新的段描述符解释后续指令。
步骤 5：设置其他段寄存器
mov ax, 0x10 ; 数据段选择子（Index=2）
mov ds, ax
mov es, ax
mov ss, ax
; 注意：不能直接 mov cs, ax！
步骤 6：进入 32 位代码段（NASM 需用 [bits 32]）
[bits 32]
protected_mode_start:
; 现在你已在保护模式！
call kernel_main
六、为什么 GRUB 要帮我们做这些？
因为：
- 实模式下无法访问 1MB 以上内存
- 无法实现内存保护和多任务
- 现代操作系统必须运行在保护模式（或长模式）下
GRUB 在加载 Multiboot 内核前，已经完成了：
- 加载 GDT
- 设置 CR0.PE = 1
- 远跳转到 32 位代码段
- 设置好段寄存器
所以你的内核代码天然运行在保护模式——但这不等于你可以忽略它！
七、下一步：准备开启分页！
进入保护模式只是第一步。
接下来，你需要：
- 启用分页（Paging） → 实现虚拟内存
- 设置中断描述符表（IDT） → 处理异常和硬件中断
- 初始化堆和内存管理器 → 为
kmalloc打基础
而这一切，都建立在你已掌握保护模式的前提之上。
写在最后
从实模式到保护模式，
不仅是 CPU 工作方式的改变，
更是操作系统从"玩具"走向"系统"的分水岭。
今天你写的这几行汇编，
正是 Linux、Windows、macOS 内核启动时也曾走过的路。
🌟 理解历史，才能创造未来。
📬 动手试试吧！
即使你不写裸机启动代码，也建议在 QEMU 中模拟一次手动切换过程。
欢迎在评论区分享你的 GDT 定义或遇到的坑！
👇 下一篇你想看：分页机制详解，还是 中断与异常处理（IDT）？
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