5.2.3 分段机制的应用

IA32构架CPU提供的分段机制十分灵活，从最简单的基本平展段模式到复杂的多段模式，以及多段模式和分页机制的结合，都可以被操作系统采用，以完成不同的需求。在本节中，我们将对不同的段模式进行介绍。

1.基本平展段模式

所谓平展段模式，指的是系统中数据段、代码段、堆栈段等相互重叠，并且每个段都跟整个线性地址空间重叠。这样的段模式，使得应用程序和操作系统可以访问整个线性地址空间，而不用考虑段的存在。实际上，这种应用模式，把IA32 CPU的段机制屏蔽了。图5-5示意了这种基本的平展段模式。

这种模式下，至少创建两个段描述符：一个为代码段描述符，该描述符的选择子，存放到CS寄存器；另外一个为数据段描述符，其选择子存放到DS和SS寄存器（堆栈段与数据段重合）。这两个数据段的访问方式、基址和界限都相同，唯一不同的是标志字段。

平展段模式是一种最基本的段模式，又是一种最通用的方式，按照这种方式实现的操作系统，可以很容易地移植到其他CPU，甚至是一些没有实现段机制的CPU。目前版本的Hello China就是按照这种模式实现的。

实际上，许多流行的操作系统，都是按照这种方式实现的，只不过额外增加了两个段：

● 用户程序代码段，用来保存用户程序的代码；

● 用户程序数据段，用来保存用户程序的数据。

所有段的基址和界限，都是重叠的，覆盖了整个线性地址空间。为了实现保护功能，这些流行的操作系统采用了IA32的分页机制。

2.保护平展段模式

与基本平展段模式类似的是保护平展段模式，在基本平展段模式中，每个段的界限（Limited）字段被设置为最大（0xFFFFFFFF），这样即使实际物理内存很小，在CPU出现内存访问溢出（访问的物理地址比实际配置的物理地址大）时，也仍然是可行的，不会引起异常。而保护平展段模式则不同，这种模式下，根据需要把段的界限和基址设置为合适的值，但整个系统中仍然存在两个段：代码段和数据段（堆栈段与数据段合一）。图5-6示意了这种结构。

这种段模型也有两个段：

● 代码段，该段的基地址设置为代码的实际开始地址，界限设置为代码段的长度。

● 数据段，该段的基地址设置为数据的实际开始地址（0x00000000），界限设置为数据和堆栈的长度的和。

这样就可以避免两种错误情况的出现：

（1）内存访问越界，若对数据或代码的访问超出了实际配置的物理内存，就会引起异常；

（2）代码段被改写，因为数据段和代码段是不重合的，绝对不会出现代码段被改写的情况。

3.多段模式

多段模式是最复杂的一种模式，对于不同的数据结构采用不同的段来表示。这种模式完整地应用了IA32 CPU提供的段机制，这样可以很好地应用一些基于段机制的保护措施。这种段模式如图5-7所示。

系统中对不同的数据结构（数据、代码、堆栈等）设置了不同的段，每个段具有不同的基址和界限，分别与实际的数据结构在内存中的位置对应，并把不同的段选择子装载到不同的段寄存器。

这种结构可以充分应用CPU提供的段保护基址，比如这种情况下，不可能出现堆栈溢出的情况，因为一旦溢出，就会引发异常。但这种结构也有一个缺点，CPU依赖性太强，按照这种模型实现的操作系统，很难移植到其他与IA32段机制不同的CPU上。