切换到保护模式后CPU如何寻址下一条指令？MIT6.828实验疑问

问题描述 #

我正在完成MIT6.828的实验1，对切换到保护模式的代码存在疑问。相关汇编代码如下：

# Switch from real to protected mode, using a bootstrap GDT
  # and segment translation that makes virtual addresses 
  # identical to their physical addresses, so that the 
  # effective memory map does not change during the switch.
  lgdt    gdtdesc
  movl    %cr0, %eax
  orl     $CR0_PE_ON, %eax
  movl    %eax, %cr0

  # Jump to next instruction, but in 32-bit code segment.
  # Switches processor into 32-bit mode.
  ljmp    $PROT_MODE_CSEG, $protcseg

执行movl %eax, %cr0时，IP寄存器存储的是ljmp $PROT_MODE_CSEG, $protcseg指令的物理地址。但执行该指令后，CPU进入保护模式，CS和IP寄存器的值却未改变。此时CPU需通过CS和IP寄存器取值来获取下一条指令，但CS寄存器并非有效段选择子，无法通过它得到正确的物理地址，这一过程是如何实现的？我查阅了英特尔架构手册，但未找到答案。

解答 #

核心逻辑是：CR0的PE位置1后，CPU不会立刻完全进入保护模式，而是要等到执行下一条控制转移指令（此处为ljmp）才完成彻底切换，中间的指令读取依赖预取机制，不会触发段翻译问题。

• 指令预取的作用：当movl %eax, %cr0执行时，CPU已经把紧跟其后的ljmp指令预取到了指令队列中。所以PE位被置1后，CPU不需要重新通过段机制去内存读取ljmp指令，直接执行队列里的预取指令即可。
• 远跳转完成模式切换：这条ljmp是远跳转指令，它会直接将CS寄存器加载为合法的段选择子PROT_MODE_CSEG，同时把EIP设置为32位的protcseg地址。执行这条指令时，CPU会从GDT中加载对应段的描述符到CS的描述符缓存器，从此彻底启用32位保护模式的段翻译规则。
• 过渡状态的段机制：在PE位置1到远跳转执行完成的间隙，CPU仍沿用实模式的段地址计算方式（段值×16+偏移），但因为ljmp指令已经被预取，不需要访问内存取指，所以即使CS此时不是保护模式下的有效段选择子，也不会出现地址错误。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者QZero