簡明 x86 組合語言教程 (4)：實模式與保護模式記憶體架構全解析

第三章 記憶體操作基礎

暫存器容量有限，程式必須存取記憶體保存大量資料。x86 歷經實模式 → 保護模式 → 長模式演進，記憶體定址機制發生根本變化。

3.1 實模式：段:位移 20 位元定址

歷史緣起

• 8086 只有 16 位元暫存器，但位址匯流排 20 位元 (1MB)
• 折衷方案：段暫存器 × 16 + 位移 = 實體位址
• 段大小固定 64KB (16 位元位移)

位址計算

實體位址 = (段暫存器 << 4) + 位移
範例: 0000:0010 = 0x00010
      0001:0000 = 0x00010  (同一實體位址)
      0123:0004 = 0x1234
      0120:0034 = 0x1234

段粒度 = 16 位元組：段值 +1 相當於位移 +16。

練習：段:位移轉 20 位元位址

經典 .COM 程式：Hello World

.MODEL TINY
.CODE
CR equ 13
LF equ 10
TERMINATOR equ '$'
ORG 100h
Main PROC
  mov dx, offset sMessage
  mov ah, 9
  int 21h           ; DOS 顯示字串
  mov ax, 4c00h
  int 21h           ; 終止程式
Main ENDP
sMessage:
  DB 'Hello, World!', CR, LF, TERMINATOR
END Main

• .COM 限制 <64KB，CS=DS=SS，ORG 100h 留 256 位元組 PSP
• DB 定義資料與指令同樣編碼，可用 DB 機器碼 繞過組譯器限制
• DOS 載入時自動初始化段暫存器

.EXE 程式：分段架構

.MODEL SMALL
.STACK 200h
.DATA
Message DB 'Hello, World !', 13, 10, '$'
.CODE
Main PROC
  mov ax, DGROUP
  mov ds, ax        ; 載入資料段
  mov dx, offset Message
  mov ah, 9
  int 21h
  mov ax, 4c00h
  int 21h
Main ENDP
END Main

• 擁有獨立 .STACK、.DATA、.CODE 段
• 支援重新定位，入口點不固定
• 512 位元組堆疊佔主要體積

3.2 保護模式：線性位址與描述符表

核心差異

描述符表機制

• GDT (Global Descriptor Table)：系統級段描述符
• LDT (Local Descriptor Table)：每程序私有段描述符
• 選擇子結構：Index (13 bits) | TI (1 bit) | RPL (2 bits)
• 描述符含：基址 32 位元、限界 20 位元、屬性 (型別、DPL、P、AVL 等)

為什麼叫「保護」模式？

• 進程間記憶體隔離：非法存取觸發 #GP/#PF 例外
• OS 捕獲例外 → 終止違規進程，系統其餘進程不受影響
• 對比實模式：空指標解參考會覆寫中斷向量表 → 死機

3.3 記憶體操作指令語法

運算元大小指定

定址模式

mov ax, [0]           ; 直接定址 DS:0
mov bx, 0
mov ax, [bx]          ; 暫存器間接 DS:BX
mov ax, [bx+10]       ; 基址+位移
mov ax, [bx+si]       ; 基址+變址
mov ax, es:[di+bp]    ; 段覆寫 + 基址+變址

MOV 指令完整形式

mov reg, reg/mem/imm
mov mem, reg/imm
; 注意：mem-to-mem 不允許，需經暫存器

小結

實模式段:位移機制雖簡單但受限 1MB 且無保護；保護模式引入選擇子/描述符/分頁，實現 4GB 線性位址空間與硬體記憶體保護。理解兩者差異是編寫系統級程式的基礎。下章將介紹字串操作與堆疊。

1. 上一篇文章： 簡明 x86 組合語言教程 (5)：記憶體操作、字串指令與堆疊詳解
2. 下一篇文章： 簡明 x86 組合語言教程 (3)：暫存器操作與指令集基礎

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