X86記憶きおく體たい區く段だん

  关于非ひ特定とくていCPU架か構指令しれい集しゅう，请见「記憶きおく體たい分段ぶんだん」。

x86架か構中，記憶きおく體たい區く段だん（英語えいご：Memory Segmentation）是ぜ在ざい不ふ改變かいへん16位い元もと段だん選擇せんたく子こ时，使用しよう單たん个索引暫存そん器き（保存ほぞん了りょう段だん内地ないち址し偏へん移うつり值）所しょ能のう夠定址し的てき的てき記憶きおく體たい範圍はんい部ぶ份。也指在ざい英えい特とく尔x86指令しれい集しゅう体系たいけい结构下しも記憶きおく體たい區く段だん的てき实现方式ほうしき。

从8086开始到いた随ずい后きさき的てき各かく款x86架か构CPU，无论是ぜ实模式しき还是保ほ护模式しき，内うち存そん寻址时都使用しよう16位い段だん寄よせ存そん器き（segment register）。段だん寄よせ存そん器き默だま认使用しよう情じょう况为：

• 代だい码段寄よせ存そん器きCS与あずか寄よせ存そん器きIP相あい配合はいごう获得当とう前まえ线程代だい码执行ぎょう到いた的てき内ない存そん位置いち；
• 数かず据すえ段だん寄よせ存そん器きDS与あずか各かく通用つうよう寄よせ存そん器き配合はいごう访问内ない存そん中ちゅう的てき数すう据すえ；
• 栈段寄よせ存そん器きSS与あずか寄よせ存そん器き(E)SP、(E)BP配合はいごう访问线程的てき调用栈（call stack）；
• 扩展段だん寄よせ存そん器きES用よう于特定とくてい字じ符ふ串くし指令しれい（如MOVS或あるCMPS）。
• 80386引入了りょう2个额外的がいてき段だん寄よせ存そん器きFS与あずかGS，并无特定とくてい的てき硬かた件けん用途ようと。

这些段だん寄よせ存そん器き除じょ了りょう有ゆう16位い的てき可か见部分ぶぶん，还有不可ふか见的隐藏部分ぶぶん，称しょう为描述じゅつ符ふ缓存“descriptor cache”或ある隐藏寄よせ存そん器き“shadow register”。当とう一个段选择符（segment selector）装そう入にゅう段だん寄よせ存そん器き的てき可か见部分ぶぶん，处理器き同どう时也把わ该段描述符ふ的てき其它数すう据すえ装そう入にゅう到いた段だん寄よせ存そん器き的てき隐藏部分ぶぶん，这包括ほうかつ段だん开始的てき基地きち址し、段だん长度、访问控ひかえ制せい信しん息いき等とう。这些信しん息いき缓存到いた段だん寄よせ存そん器き中ちゅう，避免了りょう处理器き在ざい转址（translate address）时花费额外的がいてき总线周期しゅうき从段选择符ふ表ひょう中ちゅう读入数すう据すえ。处理器き指令しれい中ちゅう可か以明示めいじ使用しよう哪些段だん寄よせ存そん器き，这将替がえ换掉默认使用しよう的てき段だん寄よせ存そん器き。

历史

1978年ねん的てきIntel 8086开始引入了りょう内ない存そん分段ぶんだん。这使得とく16位いCPU可か以访问超过64 KB (65,536字じ节)的てき内ない存そん，实际上じょう8086 CPU到いた内うち存そん的てき地ち址し总线是ぜ20位い，即そく可か访问2²⁰=1MB内ない存そん。在ざい16位い元もと模も式しき，要よう讓ゆずる應用おうよう程ほど式しき使用しよう多た個こ記憶きおく體たい區く段だん（為ため了りょう存そん取と比ひ任にん一いち64K區く段だん還かえ要よう大だい的てき記憶きおく體たい）是これ相當そうとう複雜ふくざつ。這個問題もんだい的てき根源こんげん在ざい於沒有ゆう適當てきとう的てき適合てきごう做整個こ記憶きおく體たい範圍はんい的てき平面へいめん定じょう址し的てき位い址し算術さんじゅつ指令しれい。平面へいめん定じょう址し方式ほうしき也可以乘法ほう指令しれい來らい完成かんせい，但ただし这會導しるべ致較慢的程ほど式しき執行しっこう速度そくど。

1982年ねん面めん世よ的てき80286處理しょり器き的てき真實しんじつ模も式しき与あずか保護ほご模も式しき，以及80386及其後ご的てき處理しょり器き的てき虛きょ擬なずらえ86模も式しき，一個區段的大小是64 KiB（使用しよう16位い元もと索引さくいん暫存器き）。在ざいIntelx86的てき真實しんじつ模も式しき下した的てき區く段だん架か構的内ない存そん空そら间會有ゆう所しょ重疊ちょうじょう，这是一種いっしゅ不ふ好このみ的てき設計せっけい。 80286的てき保ほ护模式しき下か，16位い的てき段だん寄よせ存そん器き中ちゅう的てき13位い（称しょう作さく段だん选择符ふsegment selector）是ぜ描述符ふ表ひょう的てき条目じょうもく（descriptor table entry）的てき索引さくいん；该条目め包含ほうがん了りょう24位い的てき段だん开始地ち址し以及16位い的てき段だん长度；段だん开始地ち址し与あずか段だん内ない偏へん移うつり地ち址し相しょう加か即そく为内存そん物理ぶつり地ち址し。16位い段だん寄よせ存そん器き中ちゅう的てき剩余じょうよ3位い分ぶん别是全局ぜんきょく/局部きょくぶ描述符ふ表ひょう指示しじ位い、请求特とく权级（request privilege level）。

1985年ねん面めん世よ的てき80386及其後ご续處理しょり器き的てき32位い元もと保護ほご模も式しき下した，一個區段长度上限是2²⁰个粒度ど单位，粒つぶ度ど可か以是1字じ节或4K字じ节，因いん此分段ぶんだん长度上限じょうげん可か以是4 GB，这与索引さくいん暫存器き是ぜ32位い元もと相しょう配合はいごう。

随ずい着ぎ32位い元もと作業さぎょう系統けいとう的てき推出，以及更さら舒適的てき32位い元もと平面へいめん記憶きおく體たい模も式しき，到いた1990年ねん末期まっき幾いく乎淘汰とうた了りょう使用しよう區く段だん定じょう址し。然しか而，使用しよう32位い平面へいめん記憶きおく體たい模も式しき產さん生せい的てき最多さいた只ただ能のう访问4 GB地ち址し空そら间的限げん制せい并没有ゆう远离日常にちじょう的てき使用しよう。區く段だん允許いんきょ作業さぎょう系統けいとう对每個こ行程こうてい虛きょ擬なずらえ定じょう址し空間くうかん的てき限きり制せい，最大さいだい可か利用りよう64 GB的てき系統けいとう記憶きおく體たい，但ただし这种最終さいしゅう回歸かいき到いた區く段だん的てき尴尬，经常被ひ引述为朝着ぎ64位い元もと處理しょり器き发展的てき动机。

2003年ねん问世的てきx86-64架か构下，强制きょうせい实现了りょう平面へいめん記憶きおく體たい模も式しき，但ただし保留ほりゅう了りょう使用しよう段だん寄よせ存そん器きFS或あるGS的てき64位い下か的てき分段ぶんだん寻址。

实模式しき （Real Mode）

實じつ模も式しき与あずか虛きょ擬なずらえ86模も式しき下した，可か访问内ない存そん固定こてい为1 MB。对于8086处理器き，可か使用しよう寄よせ存そん器き长度为16字じ节，但ただし是ぜ拥有20字じ节的到いた内うち存そん总线地ち址し。为了使用しよう16字じ节寄存そん器き访问20字じ节地址し，整せい个内存そん被ひ划分为多个区段だん。一个区段长65,536字じ节即64 KB。在ざい实模式しき下か，访问内ない存そん必须通どおり过segment base address和わsegment offset(分ぶん别储存在そんざい任意にんいsegment寄よせ存そん器き和わ任意にんい通用つうよう寄よせ存そん器き里さと。) 真ま实访问的物理ぶつり地ち址し可か由よし以下いか公式こうしき得え到いた：

物理ぶつり地ち址し=（segment base address*0x10) + segment offset 

注意ちゅうい同どう样的物理ぶつり地ち址し可か以由多た个不同どう对的selector，offset组成。 实模式しき下か，任にん何程なにほど序じょ都と可か以访问全部内ぶない存そん空そら间。没ぼつ有ゆう对内存そん的てき访问权限保ほ护。

80286保ほ护模式しき

Intel 80286处理器き仍然使用しよう16位い段だん寄よせ存そん器き与あずか16位い的てき段だん内ない偏へん移うつり地ち址し，但ただし保ほ护模式しき下か支持しじ访问2²⁴（16M）字じ节的内ない存そん。16位い段だん寄よせ存そん器き内ない不ふ再さい是ぜ段だん地ち址し，16位い段だん寄よせ存そん器き的てき高だか13位い被ひ称しょう作さく段だん选择符ふ（segment selector），其值是ぜ到いた段だん描述符ふ表ひょう的てき索引さくいん值。段だん描述符ふ中ちゅう包含ほうがん了りょう24位い的てき段だん开始的てき基地きち址し，20位い的てき段だん长度。段だん开始地ち址し与あずか段だん内ない偏へん移うつり地ち址し相しょう加か即そく为内存そん物理ぶつり地ち址し。段だん的てき长度上限じょうげん为2²⁰=1M字じ节。

80386保ほ护模式しき

Intel 80386处理器き继续使用しよう286的てき分段ぶんだん保ほ护模式しき，但ただし段だん描述符ふ中ちゅう包含ほうがん了りょう32位い的てき段だん开始的てき基地きち址し。段だん内ない偏へん移うつり地ち址し也是32位い。在ざい分段ぶんだん转址与あずか物理ぶつり地ち址し之の间又增加ぞうか了りょう一いち层分页（paging）转址。分段ぶんだん寻址是ぜ不能ふのう关闭的てき。分ぶん页可以使能のう或ある关闭（enabled or disabled），如果关闭就与286保ほ护模式しき一いち样。如果使用しよう分ぶん页机制せい，则由段だん开始的てき基地きち址し与あずか段だん内ない偏へん移うつり地ち址し相しょう加か得とく到いた的てき是ぜ线性地ち址し（虚きょ地ち址し），线性地ち址し还需要じゅよう分ぶん页转址し才ざい得え到いた内うち存そん物理ぶつり地ち址し。

386的てき段だん描述符ふ中ちゅう的てき段だん长度为20位い，段だん长度的てき粒つぶ度ど可か设为1字じ节或2¹²字じ节。因よし此段长度可か以为1字じ节-1M字じ节，或ある者もの为1×4K字じ节-1M×4K字じ节。段だん描述符ふ的てき数すう据すえ结构为；

B	Bits	80286	80386	B
0	00..07, 0..7	limit	bits 0..15 of limit	0
1	08..15, 0..7			1
2	16..23, 0..7	base address	bits 0..23 of base address	2
3	24..31, 0..7			3
4	32..39, 0..7			4
5	40..47, 0..7	attribute flags #1		5
6	48..51, 0..3	unused	bits 16..19 of limit	6
	52..55, 4..7		attribute flags #2
7	56..63, 0..7		bits 24..31 of base address	7

Attribute flags #2

52	4	unused, available for operating system
53	5	reserved, should be zero
54	6	default flag / D-bit
55	7	granularity flag / G-bit

1. Byte offset inside entry.
2. First range is the bit offset inside entry; second range is the bit offset inside byte.

386处理器き增加ぞうか了りょう两个段だん寄よせ存そん器きFS、GS，这两个寄存そん器き并无硬かた件けん绑定的てき用途ようと。Windows操作そうさ系けい统在地ち址しFS:0中ちゅう保存ほぞん了りょう当とう前ぜん线程信しん息いき块。Linux中ちゅうGS指向しこう了りょう线程局部きょくぶ存そん储。

通つう过清除じょ控ひかえ制せい寄よせ存そん器きCR0中ちゅう的てき最低さいてい位い，可か由よし386保ほ护模式しき转为实模式しき。

Linux操作そうさ系けい统在386保ほ护模式しき下か把わ段だん基もと址し设为0，段だん长度设为4GiB，从而模も拟了平面へいめん内ない存そん模型もけい。

段だん寄よせ存そん器き名字みょうじ	描述	基地きち址し	段だん长度	段だん描述符ふ特とく权级
__KERNEL_CS	内うち核かく代だい码段	0	4 GiB	0
__KERNEL_DS	内うち核かく数すう据すえ段だん	0	4 GiB	0
__USER_CS	用よう户代码段	0	4 GiB	3
__USER_DS	用よう户数据すえ段だん	0	4 GiB	3

x86-64的てき64位い模も式しき

在ざいx86-64体系たいけい结构64位い的てきlong mode，段だん寄よせ存そん器きCS, SS, DS, ES强制きょうせい为0。段だん长度强制きょうせい为2⁶⁴。形式けいしき上じょう还有内ない存そん分段ぶんだん，但ただし实际上じょう所有しょゆう内ない存そん都と在ざい唯ただ一いち的てき一いち个分段中だんなか。段だん寄よせ存そん器きFS、GS可か以有非ひ0值，被ひ操作そうさ系けい统用于其它用途ようと。即そく硬かた件けん支持しじ如“FS:[RAX]”这样的てき寄よせ存そん器き间接寻址。