轉載地址：http://www.cnblogs.com/chenwb89/p/operating_system_003.html
一、前言
在《操作系統篇-淺談實模式與保護模式》中提到了兩種模式，我們說在操作系統中，其實大部分時間是待在保護模式中的。因此若想理解操作系統程序中的啓動相關的部分，必須要理解保護模式下的編程，而分段機制是保護模式編程下的基礎。而且，由於實模式與保護模式的不同，對保護模式下的分段機制更需要注意。
二、線性地址
在保護模式下編程，訪問內存時，需要在程序中給出段地址和偏移量，因爲分段是保護模式的基本特徵之一。傳統上，段地址和偏移地址稱爲邏輯地址，偏移地址叫做有效地址，在指令中給出有效地址的方式叫做尋址方式。
段的管理是由處理器的段部件負責進行的，段部件將段地址和偏移地址相加，得到訪問內存的地址。一般來說，段部件產生的地址就是物理地址。
在分段模型下，內存的分配是不定長的，時間長了，內存空間就會碎片化，就有可能出現一種情況：內存空間是有的，但都是小塊，無法分配給某個任務。爲了解決這個問題，在支持分頁功能後，分頁功能將物理內存空間劃分成邏輯上的頁。頁的大小是固定的，一般爲 4KB，通過使用頁，可以簡化內存管理。
如下圖所示，當頁功能開啓時，段部件產生的地址就不再是物理地址了，而是線性地址，線性地址還要經頁部件轉換後，纔是物理地址。
線性地址的概念用來描述任務的地址空間。如上圖所示， 32位保護模式中，每個任務都擁有4GB 的虛擬內存空間，就像一段平直的線段，因此叫線性地址空間。相應地，由段部件產生的地址，就對應着線性地址空間上的每一個點，這就是線性地址。
三、段
段是實現虛擬地址到線性地址轉換機制的基礎。在保護方式下，段的特徵有以下三個：段基址，段限長，段屬性。這三個特徵存儲在段描述符（segmentdescriptor）之中，用以實現從邏輯地址到線性地址的轉換。段描述符存儲在段描述符表之中，通常，我們使用段選擇符定位段描述符在這個表中的位置。每個邏輯地址由16位的段選擇符+32位的偏移量組成。
段基址規定線性地址空間中段的開始地址。在保護模式下，段基地址長32位。因爲基地址長度與尋址地址的長度相同，所以段基地址可以是 0～4GB 範圍內的任意地址，而不像實方式下規定的邊界必須被16整除。不過，還是建議應當選取那些 16 字節對齊的地址。儘管對於 Intel 處理器來說，允許不對齊的地址，但是，對齊能夠使程序在訪問代碼和數據時的性能最大化。
段界限規定段的大小。在保護模式下，段界限用20位表示，而且段界限可以是以字節爲單位或以4K字節爲單位。偏移量是從 0 開始遞增，段界限決定了偏移量的最大值。對於向下擴展的段，如堆棧段來說， 段界限決定了偏移量的最小值。
段屬性我們放到下面講解描述符的時候來講。
四、段描述符表
和一個段有關的信息需要 8 個字節來描述，這就是段描述符（ Segment Descriptor），每個段都需要一個描述符。爲了存放這些描述符，需要在內存中開闢出一段空間。在這段空間裏，所有的描述符都是挨在一起，集中存放的，這就構成一個描述符表。描述符表的長度可變，最多可以包含8K個這樣的描述符（爲什麼呢？因爲段選擇子是16位的，其中的13bit用來作index）。
有兩種描述符表，GDT和LDT。結構如下：
其實LDT與我們在《操作系統篇-淺談實模式與保護模式》中提到過的GDT是差不多的，區別在於（1）全局（Global）和局部（local）；（2）LDT表存放在LDT類型的段之中，此時GDT必須含有LDT的段描述符；（3）LDT本身是一個段，而GDT不是。
查找GDT在線性地址中的基地址，需要藉助GDTR；而查找LDT相應基地址，需要的是GDT中的段描述符。訪問LDT需要使用段選擇符，爲了減少訪問LDT時候的段轉換次數，LDT的段選擇符，段基址，段限長都要放在LDTR寄存器之中。
對於操作系統來說，每個系統必須定義一個GDT，用於系統中的所有任務和程序。可選擇性定義若干個LDT。GDT本身不是一個段，而是線性地址空間的一個數據結構；GDT的線性基地址和長度必須加載進GDTR之中。因爲每個描述符長度是8，所以GDT的基地址最好進行8字節對齊。
五、段選擇符
實模式下的 6 個段寄存器 CS、 DS、 ES、 FS、 GS 和 SS，在保護模式下叫做段選擇器。和實模式不同，保護模式的內存訪問有它自己的方式。在保護模式下，儘管訪問內存時也需要指定一個段，但傳送到段選擇器的內容不是邏輯段地址，而是段描述符在描述符表中的索引號。在保護模式下訪問一個段時，傳送到段選擇器的是段選擇符，也叫段選擇子。其結構如下圖所示：
如圖所示，段選擇子由三部分組成，共16bit，第一部分是描述符的索引號，用來在描述符表中選擇一個段描述符。 TI 是描述符表指示器， TI＝0 時，表示描述符在 GDT 中； TI＝1 時，描述符在 LDT 中。RPL 是請求特權級，表示給出當前選擇子的那個程序的特權級別，正是該程序要求訪問這個內存段。每個程序都有特權級別。
GDT 的線性基地址在 GDTR 中，又因爲每個描述符佔 8 字節，因此，描述符在表內的偏移地址是索引號乘以 8。當處理器在執行任何改變段選擇器的指令時（比如 pop、 mov、jmp far、 call far、 iret、 retf），就將指令中提供的索引號乘以 8 作爲偏移地址，同 GDTR 中提供的線性基地址相加，以訪問 GDT。如果沒有發現什麼問題（比如超出了 GDT 的界限），就自動將找到的描述符加載到不可見的描述符高速緩存部分。如下圖所示：
加載的部分包括段的線性基地址、段界限和段的訪問屬性。此後，每當有訪問內存的指令時，就不再訪問 GDT 中的描述符，直接用當前段寄存器描述符高速緩存器提供線性基地址。
六、段描述符
a.描述符的結構
首先，我們來看看描述符的結構，拿出上篇blog的圖來look一look：
GDT的作用是用來提供段式存儲機制，這種機制是段寄存器和GDT中的描述符共同提供的。每個描述符在GDT中佔8字節，也就是 2 個雙字，或者說是 64 位。圖中，下面是低32位，上面是高32位。
其中：
G 位是粒度位，用於解釋段界限的含義。當 G 位是“ 0”時，段界限以字節爲單位。此時，段的擴展範圍是從 1 字節到 1 兆字節（ 1B～1MB），因爲描述符中的界限值是 20 位的。相反，如果該位是“ 1”，那麼，段界限是以 4KB 爲單位的。這樣，段的擴展範圍是從 4KB到 4GB
S 位用於指定描述符的類型（ Descriptor Type）。當該位是“ 0”時，表示是一個系統段；爲“ 1”時，表示是一個代碼段或者數據段（堆棧段也是特殊的數據段）。
DPL 表示描述符的特權級（ Descriptor Privilege Level， DPL）。這兩位用於指定段的特權級。共有 4 種處理器支持的特權級別，分別是 0、 1、 2、 3，其中 0 是最高特權級別， 3 是最低特權級別。剛進入保護模式時執行的代碼具有最高特權級 0（可以看成是從處理器那裏繼承來的），這些代碼通常都是操作系統代碼，因此它的特權級別最高。每當操作系統加載一個用戶程序時，它通常都會指定一個稍低的特權級，比如 3 特權級。不同特權級別的程序是互相隔離的，其互訪是嚴格限制的，而且有些處理器指令（特權指令）只能由 0 特權級的程序來執行，爲的就是安全。這裏再次點明瞭爲何叫保護模式。
P 是段存在位（ Segment Present）。 P 位用於指示描述符所對應的段是否存在。一般來說，描述符所指示的段都位於內存中。但是，當內存空間緊張時，有可能只是建立了描述符，對應的內存空間並不存在，這時，就應當把描述符的 P 位清零，表示段並不存在。P 位是由處理器負責檢查的。每當通過描述符訪問內存中的段時，如果 P 位是“ 0”，處理器就會產生一個異常中斷。
D/B 位是“默認的操作數大小”（ Default Operation Size）或者“默認的堆棧指針大小”，又或者“上部邊界”標誌。設立該標誌位，主要是爲了能夠在 32 位處理器上兼容運行 16 位保護模式的程序。D＝0 表示指令中的偏移地址或者操作數是 16 位的； D＝1，指示 32 位的偏移地址或者操作數。
舉個例子來說， 如果代碼段描述符的 D 位是 0，那麼，當處理器在這個段上執行時，將使用 16位的指令指針寄存器 IP 來取指令，否則使用 32 位的 EIP。
對於堆棧段來說，該位被叫做“ B”位，用於在進行隱式的堆棧操作時，是使用 SP 寄存器還是ESP 寄存器。
L 位是 64 位代碼段標誌，保留此位給 64 位處理器使用。目前，我們將此位置“ 0”即可。
TYPE 字段共 4 位，用於指示描述符的子類型，或者說是類別。
b.描述符類型
對於數據段來說， 這 4 位分別是 X、 E、 W、 A 位；而對於代碼段來說，這 4 位則分別是 X、 C、 R、 A 位。如下表所示
X 表示是否可以執行（ eXecutable）。數據段總是不可執行的， X＝0；代碼段總是可以執行的，因此， X＝1。
對於數據段來說， E 位指示段的擴展方向。 E＝0 是向上擴展的，也就是向高地址方向擴展的，是普通的數據段； E＝1 是向下擴展的，也就是向低地址方向擴展的，通常是堆棧段。
W 位指示段的讀寫屬性，或者說段是否可寫， W＝0 的段是不允許寫入的，否則會引發處理器異常中斷； W＝1的段是可以正常寫入的。
對於代碼段來說， C 位指示段是否爲特權級依從的（ Conforming）。 C＝0 表示非依從的代碼段，這樣的代碼段可以從與它特權級相同的代碼段調用，或者通過門調用； C＝1 表示允許從低特權級的程序轉移到該段執行。
R 位指示代碼段是否允許讀出。代碼段總是可以執行的，但是，爲了防止程序被破壞，它是不能寫入的。至於是否有讀出的可能，由 R 位指定。 R＝0 表示不能讀出，如果企圖去讀一個 R＝0 的代碼段，會引發處理器異常中斷；如果 R＝1，則代碼段是可以讀出的，即可以把這個段的內容當成 ROM 一樣使用。
也許有人會問，既然代碼段是不可讀的，那處理器怎麼從裏面取指令執行呢？事實上，這裏的R屬性並非用來限制處理器， 而是用來限制程序和指令的行爲。
數據段和代碼段的 A 位是已訪問位，用於指示它所指向的段最近是否被訪問過。在描述符創建的時候，應該清零。之後，每當該段被訪問時，處理器自動將該位置“ 1”。
七、總結
GDT|LDT是進入保護模式必須瞭解的基礎之一，其是保護模式中進行尋址的關鍵，也是以後理解代碼跳轉的基礎，必須要熟練。