IA-32 Architecture (3/4) - Real Mode Memory Architecture

在 real-mode 中，IA-32 的處理器就會使用 8086 的模式進行運作，其中差異最大的，當然就是僅有 20-bit address bus，定址空間僅有 1 MB(範圍介於 0x00000 ~ 0xFFFFF)。

由於 8086 系列的 CPU 中 register 的長度僅有 16 bits，如果僅用單一個 register 儲存記憶體位址，最大僅能表示到 64 KB(2¹⁶ bytes)，因此在 1 MB 的記憶體空間中，每一段大小都是 64 KB，並連續組合而成的。

而僅有 16-bit register 要如何表現 20-bit 長度的記憶體位址呢? 以下先用一張圖來表示：


左邊是可以透過 register 呈現出來的位址長度(僅有 16 bits)，而右邊則是 20 bits 的定址長度，而問題在於如何將 16-bit 轉換為 20-bit 呢??

顯而易見的，每表示一個位址就必須要兩個 register 來作組合，其中一個作為 segment base，另一個則為 offset，以下用一張圖來說明：


接著說明位址轉換的步驟：

1. 由於 register 僅有 16 bits 的關係，因此在 20 bits 的位址中，僅能表現前面的 16 bits，最後的 4 個 bit 則一律補 0，透過此方式來將 16-bit 轉換為 20-bit
2. 接著加上另外一個 register 所儲存的 offset 值

透過以上這兩個步驟，就可以透過兩個 register 的方式來表示 20-bit 的記憶體位址。

【註】由於 register 僅有 16 bits 的關係，因此每個 segment 啟始位址的最後 2 個 bit 都一定是 0，例如：0x00000、0x00010、0x00020。


透過 segment 的方式，每個 memory address 都可以由 segment base 與 offset 的搭配來進行轉換而取得，一般會以「segment:offset」的形式來呈現，以上面的圖為例，1100:450H 就可以轉換為 0x11450(0x11000 + 0x0450)。

不過有一個地方是必須注意到的，每一組 logical address 都可以轉換為唯一的一組 physical address，但每一個 physical address 不一定可以轉換為為一一組 logical address，以下用圖舉個例子：

從圖中可以看出，原本兩個不同的 segment(0x1000 與 0x1200)，但是加上不同的 offset(0x20A9 與 0xA9) 後，都產生出相同的 physical address(0x120A9)。

由於每個 segment 的大小不一定，因此擁有不同的 offset 也是會有可能的。

最後，在 real mode，每一個 segment 的基本大小就是 64 KB，若要轉換為更大的 physical memory segment，則必須仰賴 offset 的設定。