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一、背景

其实也没有啥背景。
最主要的原因就像 《30天自制操作系统》一书作者说的那样，写一个操作系统，仅仅想想就是一件特别有趣的事情呢。一两年前曾经入手开始写过，但慢慢的就不了了之了。现在又有这个想法了，准备一直干下去，最终写一个操作系统出来，算是程序员生涯的一份礼物。

其次的原因，是因为我也认为未来初级程序员的岗位会越来越少，借助 LLM 人人都是初级程序员可能会变成现实。这个时候专业性和底层就会越来越重要。

二、实模式和保护模式以及长模式的背景

从零开发操作系统进入到了第3天，马上就可以通过 C 语言进行开发了。书中突然来了一句：CPU有16位和32位两种模式。感觉有些不可思议，不是还有 64 位吗？经了解之后总结如下：

2.1 模式分类

在 x86 架构中，CPU 有几种不同的模式，其中最常见的是实模式（Real Mode）和保护模式（Protected Mode）。此外，还有长模式（Long Mode），这是在引入 x86-64 架构时增加的。以下是这些模式的简要说明：

1. 实模式（Real Mode）：

   • 这是 x86 系统启动时的初始模式，对应书中的 16 位 CPU 模式。
   • 在实模式下，CPU 使用 20 位地址总线，可以寻址 1MB 的物理内存( 内存的最小单位是字节 )。
   • 段地址和偏移地址组合成物理地址，使用 16 位段寄存器和 16 位偏移量。
   • 实模式主要用于 BIOS 启动过程和早期的操作系统（如 DOS）。
   • 我们之前开发的所有汇编都是在实模式下运行的
   • 没有虚拟内存，没有GDT

2. 保护模式（Protected Mode）：

   • 保护模式是在 80286 及更高版本的 CPU 中引入的，对应书中的 32 位 CPU 模式
   • 在保护模式下，CPU 可以使用分段和分页机制来保护内存和提供更复杂的内存管理。
   • 虚拟地址
   • 保护模式支持 32 位的地址空间，可以寻址 4GB 的物理内存（在 80386 及更高版本的 CPU 中）。
   • 保护模式是现代操作系统（如 Windows, Linux）的基础。
   • 不能调用 BIOS

3. 长模式（Long Mode）：

   • 长模式是在 64 位 x86-64 架构中引入的。
   • 长模式允许 CPU 使用 64 位的地址空间，可以寻址超过 4GB 的物理内存。
   • 在长模式下，CPU 可以运行 64 位的操作系统和应用程序。
   • 长模式向下兼容保护模式，但不兼容实模式。

2.2 模式切换

• 从实模式到保护模式：

  • 通常在 BIOS 启动代码执行后，操作系统会初始化 CPU 并切换到保护模式。
  • 切换到保护模式需要设置新的段寄存器值，并启用保护模式位。

• 从保护模式到实模式：

  • 通常在系统重启或关机时，操作系统会将 CPU 切换回实模式。
  • 切换回实模式需要重新设置段寄存器，并禁用保护模式位。

三、总结

x86 架构的 CPU 有实模式、保护模式和长模式。实模式主要用于系统启动和早期操作系统，保护模式提供了更复杂的内存管理和更大的寻址空间，而长模式则支持 64 位的地址空间和更大的内存寻址能力。现代操作系统通常在保护模式或长模式下运行。

另外如果以16位模式启动的话，用AX和CX等16位寄存器会非常方便，但反过来，像EAX和ECX等32位的寄存器，使用起来就很麻烦。另外，16位模式和32位模式中，机器语言的命令代码不一样。同样的机器语言，解释的方法也不一样，所以16位模式的机器语言在32位模式下不能运行，反之亦然。