WIN32汇编语言教程:第01章 背景知识 · 1.3 必须了解的东西(2)

1.3.2  Windows的内存管理

在这一节中,读者可以解决初学Win32汇编的两个大疑问:

● Win32汇编中,每个程序都可以用4 GB的内存吗?

● Win32汇编源代码中为什么看不到CS,DS,ES和SS等段寄存器的使用?

1. DOS操作系统的内存安排

Win32编程相对于DOS编程最大的区别之一就是内存的使用。

先来回顾一下DOS操作系统的内存使用,如图1.1所示。DOS操作系统运行于实模式中,由于8086处理器的寻址范围只有1 MB,当时把系统硬件使用的内存安排在高端,地址是从A0000h(即640 KB)开始的384 KB中,其中有用于显示的视频缓冲区和BIOS的地址空间。而在内存低端,安排了中断向量表和BIOS数据区;剩下从500h开始到A0000h总共不到640 KB的内存是操作系统和应用程序所能够使用的;应用程序不可能使用这640 KB以外的内存。这就是著名的“640KB限制”。但即使在这640 KB中,DOS操作系统又占领了低端的一部分内存,最后剩下600 KB左右的内存才是应用程序真正可以用的。如果系统中有内存驻留程序存在,那么应用程序还要和这些TSR程序共同分享这段内存空间。

当80386处理器推出后,可以寻址的内存范围达到了4 GB,利用XMS驱动程序可以访问到所有的4 GB地址空间。但16位的段寻址方式限制了DOS程序,“可见”的内存范围还是停留在00000h到FFFF0h+64 KB的范围内,所有高于1 MB的扩展内存只能通过XMS驱动程序当做数据交换使用,程序的执行空间并没有什么增加。

2. 80386的内存寻址机制

Windows的内存管理和DOS的内存管理有很大的不同,在了解Windows的内存管理模式之前,需要对80386保护模式下内存分页机制有些了解。为了做个对比,先来看实模式下的内存寻址方式,即DOS下的寻址方式,如图1.2所示。


图1.2  实模式下的内存寻址方式

在实模式下,一个完整的地址由段地址和偏移地址两部分组成。段地址放在16位的段寄存器中,然后在指令中用16位的偏移地址寻址。处理器换算时先将段地址乘以10h,得到段在物理内存中的起始地址;然后加上16位的偏移地址得到实际的物理地址。如xxxx:yyyy格式的虚拟地址在内存中的实际位置是xxxx×10h+yyyy。

当80386处理器工作在保护模式和虚拟8086模式的时候,可以使用全部32根地址线访问4 GB大的内存。段地址加偏移地址的计算方法显然无法覆盖这么大的范围。但计算一下就可以发现,实际上和8086同样的限制已经不复存在,因为80386所有的通用寄存器都是32位的,2的32次方相当于4G,所以用任何一个通用寄存器来间接寻址,不必分段就已经可以访问到所有的内存地址。

这是不是说,在保护模式下,段寄存器就不再有用了呢?答案是否定的。实际上段寄存器更有用了,虽然在寻址上不再有分段的限制问题,但在保护模式下,一个地址空间是否可以被写入,可以被多少优先级的代码写入,是不是允许执行等涉及保护的问题就出来了。要解决这些问题,必须对一个地址空间定义一些安全上的属性。段寄存器这时就派上了用途。但是涉及属性和保护模式下段的其他参数,要表示的信息太多了,要用64位长的数据才能表示。我们把这64位的属性数据叫做段描述符(Segment Descriptor)。

80386的段寄存器是16位的,无法放下保护模式下64位的段描述符。如何解决这个新的问题呢?解决办法是把所有段的段描述符顺序放在内存中的指定位置,组成一个段描述符表(Descriptor Table);而段寄存器中的16位用来做索引信息,指定这个段的属性用段描述符表中的第几个描述符来表示。这时,段寄存器中的信息不再是段地址了,而是段选择器(Segment Selector)。可以通过它在段描述符表中“选择”一个项目以得到段的全部信息。

既然这样,段描述符表放在那里呢?80386中引入了两个新的寄存器来管理段描述符表。一个是48位的全局描述符表寄存器GDTR,一个是16位的局部描述符表寄存器LDTR。那么,为什么有两个描述符表寄存器呢?

GDTR指向的描述符表为全局描述符表GDT(Global Descriptor Table)。它包含系统中所有任务都可用的段描述符,通常包含描述操作系统所使用的代码段、数据段和堆栈段的描述符及各任务的LDT段等;全局描述符表只有一个。

LDTR则指向局部描述符表LDT(Local Descriptor Table)。80386处理器设计成每个任务都有一个独立的LDT。它包含有每个任务私有的代码段、数据段和堆栈段的描述符,也包含该任务所使用的一些门描述符,如任务门和调用门描述符等。

不同任务的局部描述符表分别组成不同的内存段,描述这些内存段的描述符当做系统描述符放在全局描述符表中。和GDTR直接指向内存地址不同,LDTR和CS,DS等段选择器一样只存放索引值,指向局部描述符表内存段对应的描述符在全局描述符表中的位置。随着任务的切换,只要改变LDTR的值,系统当前的局部描述符表LDT也随之切换,这样便于各任务之间数据的隔离。但GDT并不随着任务的切换而切换。

看到这里,读者可能会提出一个问题,既然有全局描述符表和局部描述符表两个表,那么段选择器中的索引值对应哪个表中的描述符呢。实际上,16位的段选择器中只有高13位表示索引值。剩下的3个数据位中,第0,1位表示程序的当前优先级RPL;第2位TI位用来表示在段描述符的位置;TI=0表示在GDT中,TI=1表示在LDT中。

以图1.3为例,在保护模式下,同样以xxxx:yyyyyyyy格式表示一个虚拟地址。单单凭段选择器中的数值xxxx根本无法反映出段的基址在哪里。对于这个地址,首先要看xxxx的TI位是否为0,如果是的话,则先从GDTR寄存器中获取GDT的基址(图中的步骤①),然后在GDT中以段选择器xxxx的高12位当做位置索引得到段描述符(步骤②)。段描述符包含段的基址、限长、优先级等各种属性,这就得到了段的起始地址(步骤③);如果xxxx的TI位为1的话就更复杂了,这表示段描述符在LDT中,这时第一步的操作还是从GDTR寄存器中获取GDT的基址(步骤1'),并且要从LDTR中获取LDT所在段的位置索引(步骤2');然后以这个位置索引在GDT中得到LDT段的位置(步骤3');然后才是用xxxx做索引从LDT段中获得段描述符(步骤4'),再以这个段描述符得到段的基址等信息(步骤5')。分这两种情况得到段的基址后(图中Result所示),再以基址加上偏移地址yyyyyyyy才得到最后的线性地址。

关于段描述符的格式定义,读者可以参考其他讲述保护模式的书籍。


图1.3 保护模式下GDTR,LDTR,全局描述符表,局部描述符表和选择器的关系

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第01章 背景知识

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