程序员都会的 CRUD 之段描述符表

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日久见人心不古，路遥知马力不足！

今天来聊聊段描述符表，这是操作系统为了配合 CPU 保护模式而建立的一张表，类似的表在操作系统里非常的多。CRUD 不单单是对数据库，其实无处不在~！

0x01：段的产生

Intel 推出的第一款个人 CPU 是 4004，它是 4 位的处理器；后来又推出的 8080 是 8 位的处理器；那时候访问内存就直接是物理内存，也没有段的概念，不过这两 CPU 我都没有接触过。

后来有了 8086 的 16 位 CPU，就有了段这个概念。当然，它也不是凭空出现的，也是有缘由的。8086 的寄存器是 16 位的，而地址总线是 20 位的。

用 16 位的寄存器去访问 20 位的地址是有难度的。16 位的寄存器只能访问 2 的 16 次方的地址，也就是 64K；地址总线是 20 位，那么就是 2 的 20 次方，就是 1M 的范围。

为了让 16 位的寄存器能访问 20 位的地址，就有了 段 这个概念，并且在寄存器中，有了 段 寄存器，当然也是 16 位的；配合段寄存器和段内偏移，通过相应的运算，就可以完成 20 位的内存访问。具体方式为：段寄存器左移四位加上指令指针的段内偏移就构成了 20 位的物理地址了。

这样看段的概念就不是凭空产生的了，是因为 CPU 的寄存器和地址总线的位数不同而产生的。

0x02：段描述符

在 8086 时代，段基址是由段寄存器指定的，比如代码由 CS 指定，数据段由 DS 指定。只要通过改变段寄存器的值，那么就可以访问到内存的任意位置了，这样就产生了安全的问题，内存随便访问了，搞不好会不会破坏掉系统的数据呢？

因此，在 32 位的 80386 时就有了新的概念，叫做“保护模式”；而对于早期的 8086 可以直接操作任意内存地址的方式称为“实模式”。

在 32 位的 CPU 下，段寄存器仍然是 16 位的，而且仍然兼容实模式的工作方式。

如果要使用保护模式的话，那么就不能使用 16 位的段基址左移四位加上段内偏移的方式去访问内存了。因为在这个时候，段不但指定一个基址，而且有了更多的属性，从而对内存的访问有了一定保护。既然段有了这么多的属性，那么 16 位的段寄存器就显得有些短了。

此时，段寄存器中就不再保存段基址了，而是保存了段的索引，所以段寄存器改名叫“段选择子”。

而真正的段则需要用 64 位的结构体来进行定义和描述，所以出现一个“段描述符”的概念。一个段描述符可以描述一个段，系统中有多个段，那么就有多个段描述符，就构成了段描述符表。那么段选择子其实就是段描述符表的下标。通过段选择子来索引段描述符，从而获取段的相关信息与属性。

下图是段描述符的定义，以及各个属性的描述。

段描述符指定了段的起始位置，段的长度，段的各种属性之类的，比如特权级、粒度等。

0x03：64 位模式下的段描述符

到 64 位模式下，也就是 64 位的 CPU 下的 64 位模式，段描述符还是上面的样子，还是使用 64 位来进行描述的。但是很多位都已经不在使用了，比如段的起始位置，段的长度，都不使用了，但是段的属性还是使用的。在上图中的 L 位，也就是高 32 位的第 21 位，在 32 位模式时，它始终是 0 值，在 64 位模式下，此处变成了 1 值。

属性中的 长模式、存在位、特权级、描述符类型和段类型还继续使用，其他位都置为 0 了。

0x04：段描述符表

操作系统启动时，为了配合 CPU 的保护模式，由操作系统建立段描述符表，CPU 为了不频繁的访问段描述符表，它会将其缓存到高速缓存当中。然后，由段选择子来决定程序使用的是哪个段。

创建段描述符表，相当于建表，段选择子是段描述符表的索引，相当于查表。在操作系统中，类似这样的表非常的多，其实操作系统本身也算的上是一个 MIS 系统，只是它管理的是支持操作系统运行的数据，进程、线程的管理，不也是对应的内核数据结构构成的表吗？因此，看来什么地方都离不开 CRUD！其实 CRUD 是一个思路，不局限在数据库中，只要是对数据的管理，都会用得上。

不知道对于段和段描述符是否描述的清楚，不过，都看完了，那就点个赞，支持一下我再走吧！

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