前言：為何需要保護模式？
80386 擁有實模式、保護模式、虛擬 8086 模式三種工作模式。唯有保護模式才能釋放 32 位元架構的全部潛能：32 條位址線支援 4 GB 物理記憶體；分段與分頁機制提供硬體級記憶體保護、共享與虛擬記憶體支援；四級特權環（Ring 0~3）實現核心與應用、任務間的嚴格隔離；內建任務切換硬體加速多任務調度。本文系統梳理 80386 保護模式的核心子系統。
一、記憶體管理單元（MMU）與兩級位址轉換
1. 位址空間層級
- 虛擬地址空間：程式員視角，由「選擇子:偏移」組成的二維地址，總容量 64 TB（16,384 段 × 4 GB）。
- 線性地址空間：分段機制輸出的一維 32 位地址，4 GB，與物理地址空間一一對應（未啟用分頁時）。
- 物理地址空間：實際記憶體匯流排地址，4 GB 上限。
2. 兩階段轉換流程
- 分段轉換（必選）：選擇子 → GDT/LDT 描述符 → 基址 + 偏移 = 線性地址。段描述符記錄基址、界限、屬性（DPL、類型、P 位等）。
- 分頁轉換（可選）：線性地址 → 頁目錄 → 頁表 → 物理頁框。啟用 CR0.PG=1 後生效。頁大小固定 4 KB，支援「存在/不存在」位實現虛擬記憶體換頁。
兩機制相互獨立：段表存放於線性空間（可被分頁重定位），頁表存放於物理空間。分段擅長邏輯模組隔離與保護；分頁擅長物理記憶體框架管理與虛擬記憶體實現。
二、虛擬記憶體硬體支援
虛擬記憶體讓程式「以為」擁有遠超物理 RAM 的空間。MMU 以兩種方式協作：
- 需求分頁：頁表項 P=0 標記非駐留頁；存取時觸發頁面錯誤（PF，向量 14），OS 從磁碟讀入頁框、更新頁表、重新執行故障指令。
- 存取/髒位統計：處理器自動置位 A/D 旗標，OS 掃描統計以實現 LRU/Clock 等換頁演算法，決定犧牲哪些頁框。
三、多層次保護機制
1. 任務隔離（虛擬地址空間分離）
- 每任務擁有獨立 LDT、頁目錄（CR3），任務切換時自動切換映射函數。
- 全局地址空間：GDT 映射的區域，所有任務共享相同虛擬→物理映射（如核心代碼、共享庫）。
- 局部地址空間：LDT 映射區域，任務私有，相同虛擬地址映射至不同物理頁框，實現隔離。
2. 特權級保護（Ring 0~3）
- 數值越小特權越高：Ring 0（核心）、Ring 1/2（驅動/中介層）、Ring 3（應用）。術語用「內層/外層」避免大小混淆。
- 資料段存取：只能訪問 DPL ≥ CPL 的段（同級或外層），嘗試訪問內層段觸發 GPF。
- 代碼段轉移：呼叫門、中斷門、任務門受控轉移；一致代碼段（C-bit=1）允許外層直接呼叫內層而不提權。
- 堆疊隔離：每級特權擁有獨立堆疊（TSS 存放 SS0~SS2:ESP），特權轉移自動切換堆疊，防止堆疊溢位攻擊。
3. 典型部署
Ring 0：核心核心（調度、中斷、記憶體管理）；Ring 1/2：裝置驅動、檔案系統；Ring 3：用戶進程。Windows 9x 僅用 Ring 0/3 以便移植至雙特權級 RISC 架構。
四、任務管理與硬體切換
- TSS（任務狀態段）：保存任務完整上下文（通用暫存器、段暫存器、EIP、EFLAGS、CR3、LDTR、I/O 許可位圖、前任務鏈接）。
- 切換觸發：JMP/CALL 任務門或 TSS 描述符、IRET（NT=1）、中斷/異常經任務門。
- 切換流程：保存當前狀態至舊 TSS → 載入新 TSS 選擇子至 TR → 從新 TSS 恢復暫存器 → 載入 CR3/LDTR 更新地址映射。
- 忙/可用位：防止重入同一任務；嵌套任務鏈由 TSS 鏈接字段與 EFLAGS.NT 維護。
五、I/O 權限位圖與精細 I/O 保護
TSS 擴展區可包含 8 KB I/O 許可位圖（每埠 1 位），CPL=3 任務執行 IN/OUT 時，處理器檢查對應位；位=1 觸發 GPF，實現逐埠授權，無需完全攔截 I/O 指令。
結語
80386 保護模式以分段、分頁、四級特權、硬體任務切換、I/O 位圖五大支柱，為現代作業系統（Linux、Windows NT 族、BSD 等）提供了堅實的硬體信任基石。理解這些機制的交互細節，是系統程式開發者、安全研究者與嵌入式工程師的必修課。
