x86的内存分段机制

news2024/9/24 11:26:37

8086 是 Intel 公司第一款 16 位处理器，诞生于 1978 年，所以说它很古老。

一.8086 的通用寄存器

8086 处理器内部共有 8 个 16 位的通用处理器，分别被命名为 AX、 BX、 CX、 DX、 SI、 DI、 BP、 SP。如下图所示。
“通用”的意思是，它们之中的大部分都可以根据需要用于多种目的。

二.程序的重定位难题

2.1 代码段和数据段

处理器是自动化的器件，在给出了起始地址之后，它将从这个地址开始，自动地取出每条指令并加以执行。

        只要每条指令都正确无误，它就能准确地知道下一条指令的地址。
        这就意味着：
（1）完成某个工作的所有指令，必须集中在一起，处于内存的某个位置，形成一个段，叫做代码段。
        若指令中间夹杂了其它非指令的数据，处理器将因为不能识别而出错。
（2）程序总要操作大量的数据，这些数据也应该集中在一起，位于内存中的某个地方，形成一个段，叫做数据段。
        我们并没有改变内存的物理性质，并不是真的把它分成几块。段的划分是逻辑上的，从本质上来说，是如何看待和组织内存中的数据。

2.2 单任务

段在内存中的位置并不重要，因为处理器是可控的，我们可以让它从内存的任何位置开始取指令并加以执行。
如下图，整个程序（包括代码段和数据段）在内存中的位置，是由我们自己决定的。我们把数据段定在 0100H，把代码段定在 0120H。

2.3 多任务

        大多数时候，整个程序（包括代码段和数据段）在内存中的位置并不是我们能够决定的。
        程序在 Windows 里启动之前，内存已经被塞了很多东西。在这种情况下，你所运行的程序，在内存中被加载的位置完全是随机的，哪里有空闲的地方，它就会被加载到哪里，并从那里开始被处理器执行。
        如下图所示，因为程序现在从内存地址 1000H 处被加载的，所以，数据段的起始地址为 1000H。代码段依然紧挨着数据段之后，起始地址相应地是 1020H。
        只要所有的指令都是连续存放的，代码段位于内存中的什么地方都可以正常执行。但指令中包含的数据地址是绝对地址（物理地址），这样的程序是无法重定位的。
        为了让你写的程序在卖给别人之后，可以在内存中的任何地方正确执行，就只能在编写程序的时候使用相对地址或者逻辑地址了，而不是使用真实的物理地址。当程序加载时，这些相对地址还要根据程序实际被加载的位置重新计算。

2.4 解决-分段机制

在任何时候，程序的重定位都是非常棘手的事情。当然，也有好几种解决的办法。在 8086 处理器上，这个问题特别容易解决，因为该处理器在访问内存时使用了分段机制。

三.内存分段机制

3.1 概述

采用分段策略之后，一个内存单元的地址实际上就可以用“段：偏移”或者“段地址：偏移地址”来表示，这就是通常所说的逻辑地址。

        为了在硬件一级提供对“段地址：偏移地址”内存访问模式的支持，处理器至少要提供两个段寄存器，分别是代码段寄存器（CS）和数据段寄存器（DS）。
        对 CS 内容的改变将导致处理器从新的代码段开始执行。同样，在开始访问内存中的数据之前，也必须首先设置好 DS 寄存器，使之指向数据段。
        除此之外，最重要的是，当处理器访问内存时，它把指令中指定的内存地址看成是段内的偏移地址，而不是物理地址。这样，一旦处理器遇到一条访问内存的指令，它将把 DS 中的数据段起始地址和指令中提供的段内偏移相加，来得到访问内存所需要的物理地址。

3.2 8086 的内存分段机制

3.2.1 段寄存器

3.2.2 指令指针寄存器

        它只和 CS 一起使用，而且只有处理器才能直接改变它的内容。
        当一段代码开始执行时， CS 指向代码段的起始地址， IP 则指向段内偏移。这样，由 CS 和 IP 共同形成逻辑地址，并由总线接口部件变换成物理地址来取得指令。
        然后，处理器会自动根据当前指令的长度来改变 IP 的值，使它指向下一条指令。