win-计算机启动时的模式过渡

第四章处理器模式与硬件内存管理(x86_64) - 从零开始开发UEFI引导的64位操作系统内核 - 知乎

本文为上面这个网址的摘抄

几种模式

实模式

处理位数被设为16位。在这个模式中，处理器只能访问物理地址的前1MB空间，通过段寄存器左移4位后与一个16位地址相加得到的20位地址访问。

32位实模式

不开启保护模式的32位模式是不稳定的，处理器只能暂时处于32位实模式的状态，需要开启保护模式才能正常执行32位程序。

保护模式

准备保护模式数据结构后将cr0寄存器的PE标志位置位即可开启。这个“保护模式数据结构”指的是GDT，全局描述符表，表中可以添加段描述符、系统描述符。保护模式下的段寄存器通过访问段描述符确定所在的段，而不是左移4位后直接与地址相加；保护模式有许多硬件直接触发的保护功能，系统描述符用于支持这些功能的触发。此外，保护模式中引入了特权级，0为最高的特权级，3为最低的特权级，越高的特权级，保护功能越弱，程序越容易控制处理器的状态。内核通常在0特权级运行，普通程序通常在3特权级运行。同时，在这个模式中也引入了分页机制（不是必须开启）。32位的基本分页机制使用一级页表进行寻址，能够映射4GB空间，开启PAE后，在原先的以及页表上增加了两级页表，通过类似树状的数据结构使得相同大小的最高级页表能够映射64PB的空间。PAE开启后使用36位物理地址，使得物理地址寻址能力提高到了64GB。

长模式

由实模式切换而来的32位保护模式被称为IA-32模式。由于64位模式仅仅是在IA-32模式基础上经过简单的功能增强和修改得到的，所以被称为IA-32e模式。

主要有这些功能：分页机制、长模式地址扩展（LME）、64位段描述符。长模式地址扩展中为分页机制又增加了一级或两级页表，使用4级或5级页表映射地址空间。同时使用48位物理地址，进一步提高物理地址寻址能力。也因为48位物理地址称为长地址，IA-32e模式又称长模式。由于描述符表中支持32位段描述符和64位段描述符同时存在，所以可以通过暂时关闭LME并修改段寄存器索引的段描述符，进入一种支持32位程序运行的IA-32e的子模式，称为兼容模式。虽然所谓的兼容模式只是IA-32e模式的一种支持32位程序运行的状态，但我们依然习惯地称IA-32e的支持64位程序运行的状态和IA-32e的支持32位程序运行的状态为IA-32e的两个子模式长模式和兼容模式。