實模式：（即實地址訪問模式）它是Intel公司80286及以后的x86(80386,80486和80586等)兼容處理器（CPU）的一種操作模式。實模式被特殊定義為20位地址內(nèi)存可訪問空間上，這就意味著它的容量是2的20次冪（1M）的可訪問內(nèi)存空間（物理內(nèi)存和BIOS-ROM），軟件可通過這些地址直接訪問BIOS程序和外圍硬件。實模式下處理器沒有硬件級的內(nèi)存保護概念和多道任務(wù)的工作模式。但是為了向下兼容，所以80286及以后的x86系列兼容處理器仍然是開機啟動時工作在實模式下。80186和早期的處理器僅有一種操作模式，就是后來我們所定義的實模式。實模式雖然能訪問到1M的地址空間，但是由于BIOS的映射作用（即BIOS占用了部分空間地址資源），所以真正能使用的物理內(nèi)存空間（內(nèi)存條），也就是在640k到924k之間。1M地址空間組成是由16位的段地址和16位的段內(nèi)偏移地址組成的。用公式表示為：物理地址=左移4位的段地址+偏移地址。

286處理器體系結(jié)構(gòu)引入了地址保護模式的概念，處理器能夠?qū)?nèi)存及一些其他外圍設(shè)備做硬件級的保護設(shè)置（保護設(shè)置實質(zhì)上就是屏蔽一些地址的訪問）。使用這些新的特性，然而必不可少一些額外的在80186及以前處理器沒有的操作規(guī)程。自從最初的x86微處理器規(guī)格以后，它對程序開發(fā)完全向下兼容，80286芯片被制作成啟動時繼承了以前版本芯片的特性，工作在實模式下，在這種模式下實際上是關(guān)閉了新的保護功能特性，因此能使以往的軟件繼續(xù)工作在新的芯片下。直到今天，甚至最新的x86處理器都是在計算機加電啟動時都是工作在實模式下，它能運行為以前處理器芯片寫的程序.

DOS操作系統(tǒng)（例如MS-DOS,DR-DOS）工作在實模式下，微軟Windows早期的版本（它本質(zhì)上是運行在DOS上的圖形用戶界面應(yīng)用程序，實際上本身并不是一個操作系統(tǒng)）也是運行在實模式下，直到Windows3.0，它運行期間既有實模式又有保護模式，所以說它是一種混合模式工作。它的保護模式運行有兩種不同意義(因為80286并沒有完全地實現(xiàn)80386及以后的保護模式功能)：

1〉“標(biāo)準(zhǔn)保護模式”：這就是程序運行在保護模式下；

2〉“虛擬保護模式（實質(zhì)上還是實模式，是實模式上模擬的保護模式）”：它也使用32位地址尋址方式。Windows3.1徹底刪除了對實模式的支持。在80286處理器芯片以后，Windows3.1成為主流操作系統(tǒng)（Windows/80286不是主流產(chǎn)品）。目前差不多所有的X86系列處理器操作系統(tǒng)（Linux，Windows95 and later，OS/2等）都是在啟動時進行處理器設(shè)置而進入保護模式的。

實模式工作機理：

1>對于8086/8088來說計算實際地址是用絕對地址對1M求模。8086的地址線的物理結(jié)構(gòu)：20根，也就是它可以物理尋址的內(nèi)存范圍為2^20個字節(jié)，即1 M空間，但由于8086/8088所使用的寄存器都是16位，能夠表示的地址范圍只有0-64K，這和1M地址空間來比較也太小了，所以為了在8086/8088下能夠訪問1M內(nèi)存，Intel采取了分段尋址的模式：16位段基地址:16位偏移EA。其絕對地址計算方法為：16位基地址左移4位+16位偏移=20位地址。比如：DS=1000H EA=FFFFH那么絕對地址就為：10000H + 0FFFFH = 1FFFFH地址單元。通過這種方法來實現(xiàn)使用16位寄存器訪問1M的地址空間，這種技術(shù)是處理器內(nèi)部實現(xiàn)的，通過上述分段技術(shù)模式，能夠表示的最大內(nèi)存為：FFFFh: FFFFh=FFFF0h+FFFFh=10FFEFh=1M+64K-16Bytes（1M多余出來的部分被稱做高端內(nèi)存區(qū)HMA）。但8086/8088只有20位地址線，只能夠訪問1M地址范圍的數(shù)據(jù)，所以如果訪問100000h~10FFEFh之間的內(nèi)存（大于1M空間），則必須有第21根地址線來參與尋址（8086/8088沒有）。因此，當(dāng)程序員給出超過1M（100000H-10FFEFH）的地址時，因為邏輯上正常，系統(tǒng)并不認為其訪問越界而產(chǎn)生異常，而是自動從0開始計算，也就是說系統(tǒng)計算實際地址的時候是按照對1M求模的方式進行的，這種技術(shù)被稱為wrap-around。

2>對于80286或以上的CPU通過A20 GATE來控制A20地址線。技術(shù)發(fā)展到了80286，雖然系統(tǒng)的地址總線由原來的20根發(fā)展為24根，這樣能夠訪問的內(nèi)存可以達到2^24=16M,但是Intel在設(shè)計80286時提出的目標(biāo)是向下兼容,所以在實模式下，系統(tǒng)所表現(xiàn)的行為應(yīng)該和8086/8088所表現(xiàn)的完全一樣，也就是說，在實模式下，80386以及后續(xù)系列應(yīng)該和8086/8088完全兼容仍然使用A20地址線。所以說80286芯片存在一個BUG：它開設(shè)A20地址線。如果程序員訪問100000H-10FFEFH之間的內(nèi)存，系統(tǒng)將實際訪問這塊內(nèi)存（沒有wrap-around技術(shù)），而不是象8086/8088一樣從0開始。我們來看一副圖：

為了解決上述兼容性問題，IBM使用鍵盤控制器上剩余的一些輸出線來管理第21根地址線（從0開始數(shù)是第20根）的有效性，被稱為A20 Gate：

1>如果A20 Gate被打開，則當(dāng)程序員給出100000H-10FFEFH之間的地址的時候，系統(tǒng)將真正訪問這塊內(nèi)存區(qū)域；

2如果A20 Gate被禁止，則當(dāng)程序員給出100000H-10FFEFH之間的地址的時候，系統(tǒng)仍然使用8086/8088的方式即取模方式（8086仿真）。絕大多數(shù)IBM PC兼容機默認的A20 Gate是被禁止的?，F(xiàn)在許多新型PC上存在直接通過BIOS功能調(diào)用來控制A20 Gate的功能。

上面所述的內(nèi)存訪問模式都是實模式，在80286以及更高系列的PC中，即使A20 Gate被打開，在實模式下所能夠訪問的內(nèi)存最大也只能為10FFEFH，盡管它們的地址總線所能夠訪問的能力都大大超過這個限制。為了能夠訪問10FFEFH以上的內(nèi)存，則必須進入保護模式。

保護模式：經(jīng)?？s寫為p-mode,在Intel iAPX 286程序員參考手冊中（iAPX 286是Intel 80286的另一種叫法）它又被稱作為虛擬地址保護模式。經(jīng)管在Intel 80286手冊中已經(jīng)提出了虛地址保護模式，但實際上它只是一個指引，真正的32位地址出現(xiàn)在Intel 80386上。保護模式本身是80286及以后兼容處理器序列之后產(chǎn)成的一種操作模式，它具有許多特性設(shè)計為提高系統(tǒng)的多道任務(wù)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如內(nèi)存的保護，分頁機制和硬件虛擬存儲的支持?，F(xiàn)代多數(shù)的x86處理器操作系統(tǒng)都運行在保護模式下，包括Linux, Free BSD,和Windows 3.0（它也運行在實模式下，為了和Windows 2.x應(yīng)用程序兼容）及以后的版本。

80286及以后的處理器另一種工作模式是實模式（僅當(dāng)系統(tǒng)啟動的一瞬間），本著向下兼容的原則屏蔽保護模式特性，從而容許老的軟件能夠運行在新的芯片上。作為一個設(shè)計規(guī)范，所有的x86系列處理器，除嵌入式Intel80387之外，都是系統(tǒng)啟動工作在實模式下，確保遺留下的操作系統(tǒng)向下兼容。它們都必須被啟動程序（操作系統(tǒng)程序最初運行代碼）重新設(shè)置而相應(yīng)進入保護模式的，在這之前任何的保護模式特性都是無效的。在現(xiàn)代計算機中，這種匹配進入保護模式是操作系統(tǒng)啟動時最前沿的動作之一。

在被調(diào)停的多道任務(wù)程序中，它可以從新工作在實模式下是相當(dāng)可能的。保護模式的特性是阻止被其他任務(wù)或系統(tǒng)內(nèi)核破壞已經(jīng)不健全的程序的運行，保護模式也有對硬件的支持，例如中斷運行程序，移動運行進程文檔到另一個進程和置空多任務(wù)的保護功能。

386及以后系列處理器不僅具有保護模式又具有32位寄存器，結(jié)果導(dǎo)致了處理功能的混亂，因為80286雖然支持保護模式，但是它的寄存器都是16位的，它是通過自身程序設(shè)定而模擬出的32位，并非32位寄存器處理。歸咎于這種混亂現(xiàn)象，它促使Windows/386及以后的版本徹底拋棄80286的虛擬保護模式，以后保護模式的操作系統(tǒng)都是運行在80386以上，不再運行在80286（盡管80286模式支持保護模式），所以說80286是一個過渡芯片，它是一個過渡產(chǎn)品。

盡管286和386處理器能夠?qū)崿F(xiàn)保護模式和兼容以前的版本，但是內(nèi)存的1M以上空間還是不易存取，由于內(nèi)存地址的回繞，IBM PC XT（現(xiàn)以廢棄）設(shè)計一種模擬系統(tǒng)，它能過欺騙手段訪問到1M以上的地址空間，就是開通了A20地址線。在保護模式里，前32個中斷為處理器異常預(yù)留，例如，中斷0D（十進制13）常規(guī)保護故障和中斷00是除數(shù)為零異常。

如果要訪問更多的內(nèi)存，則必須進入保護模式，那么，在保護模式下，A20 Gate對于內(nèi)存訪問有什么影響呢？

為了搞清楚這一點，我們先來看一看A20的工作原理。A20，從它的名字就可以看出來，其實它就是對于A20（從0開始數(shù)）的特殊處理(也就是對第21根地址線的處理)。如果A20 Gate被禁止，對于80286來說，其地址為24根地址線，其地址表示為EFFFFF；對于80386極其隨后的32根地址線芯片來說，其地址表示為FFEFFFFF。這種表示的意思是：

　　　　

1>如果A20 Gate被禁止。則其第A20在CPU做地址訪問的時候是無效的，永遠只能被作為0。所以，在保護模式下，如果A20 Gate被禁止，則可以訪問的內(nèi)存只能是奇數(shù)1M段，即1M,3M,5M…，也就是00000-FFFFF, 200000-2FFFFF,300000-3FFFFF…

2如果A20 Gate被打開。則其第20-bit是有效的，其值既可以是0，又可以是1。那么就可以使A20線傳遞實際的地址信號。如果A20 Gate被打開，則可以訪問的內(nèi)存則是連續(xù)的。

實模式和保護模式的區(qū)別：從表面上看，保護模式和實模式并沒有太大的區(qū)別，二者都使用了內(nèi)存段、中斷和設(shè)備驅(qū)動來處理硬件，但二者有很多不同之處。我們知道，在實模式中內(nèi)存被劃分成段，每個段的大小為64KB，而這樣的段地址可以用16位來表示。內(nèi)存段的處理是通過和段寄存器相關(guān)聯(lián)的內(nèi)部機制來處理的，這些段寄存器（CS、DS、SS和ES）的內(nèi)容形成了物理地址的一部分。具體來說，最終的物理地址是由16位的段地址和16位的段內(nèi)偏移地址組成的。用公式表示為：物理地址=左移4位的段地址+偏移地址。

在保護模式下，段是通過一系列被稱之為“描述符表”的表所定義的。段寄存器存儲的是指向這些表的指針。用于定義內(nèi)存段的表有兩種：全局描述符表(GDT)和局部描述符表(LDT)。GDT是一個段描述符數(shù)組，其中包含所有應(yīng)用程序都可以使用的基本描述符。在實模式中，段長是固定的(為64KB)，而在保護模式中，段長是可變的，其最大可達4GB。LDT也是段描述符的一個數(shù)組。與GDT不同，LDT是一個段，其中存放的是局部的、不需要全局共享的段描述符。每一個操作系統(tǒng)都必須定義一個GDT，而每一個正在運行的任務(wù)都會有一個相應(yīng)的LDT。每一個描述符的長度是8個字節(jié)，格式如圖3所示。當(dāng)段寄存器被加載的時候，段基地址就會從相應(yīng)的表入口獲得。描述符的內(nèi)容會被存儲在一個程序員不可見的影像寄存器(shadow register)之中，以便下一次同一個段可以使用該信息而不用每次都到表中提取。物理地址由16位或者32位的偏移加上影像寄存器中的基址組成。實模式和保護模式的不同可以從下圖很清楚地看出來。

實模式下尋址方式

保護模式下尋址方式

　　　　　　

PS：
計算機剛啟動的時候，CPU首先以實模式的方式工作，直到啟動操作系統(tǒng)后才會切換到保護模式下工作；
從8086到80386,雖然位數(shù)從16位擴展成了32位，但CPU的體系結(jié)構(gòu)卻發(fā)生了質(zhì)的改變。其中，尋址方式從實模式到保護模式的轉(zhuǎn)變對CPU的計算能力起到了至關(guān)重要的作用。80386的后續(xù)型號（如80486,奔騰，奔騰4等）雖然計算速度在飛速提高，但最核心的體系結(jié)構(gòu)基本上沒有多大變化。所以人們把80386及其后續(xù)型號統(tǒng)稱為“x86”或“i386”。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的实模式和保护模式（附i386/x86的由来）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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