8086之前是4位和8位机天下，没有段的概念。程序访问内存要给出内存的实际物理地址，源码很多硬编码物理地址。难重定位，可控性弱，结构丑陋

8086

8086 地址空间需求

16 位cpu 8086，设计目标是支持 1 MB（220 = 1,048,576 字节） 内存地址空间

16 位寄存器的限制

16 位地址总线只能寻址 216=64KB内存，20位地址总线才满足需求

16 位寄存器基础上支持更大地址空间 8086 寄存器（AX、BX、CX、DX 等）单个寄存器只能存储 16 位地址，最大寻址范围 64 KB。为了突破这个限制，8086 引入了 分段内存管理机制

分段内存管理(地址翻译)机制

借鉴 PDP-11 MMU

4个段寄存器，CS，DS，SS，ES

20 位物理地址由两个部分组成： segment:offset 段寄存器（Segment Register） 和 偏移寄存器（Offset Register）

物理地址=(段寄存器×16)+偏移寄存器

segment << 4 + offset

物理地址=(0x1234×16)+0x5678=0x12340+0x5678=0x179B8

后续发展

80286 引入 保护模式

80286 地址总线扩展到 24 位，80386 32 位

现代 CPU 采用 平坦内存模型，不再需要分段机制，用分页机制管理内存

A20

经典历史问题，涉及硬件设计和软件兼容性

地址翻译后理论最大 物理地址=(0xFFFF×16)+0xFFFF=0xFFFF0+0xFFFF=0x10FFEF

20 位寻址范围 00000h 到 FFFFFh ,计算出的物理地址超过 20 位，高位进位截断，导致地址“回绕”（Wrap-around）

计算出的物理地址为 0x10FFEF，实际访问地址为 0x10FFEF & 0xFFFFF = 0x0FFEF

通过设置段寄存器和偏移寄存器访问超出 1 MB 的地址空间（100000h 到 10FFEFh）。会被自动回绕到 00000h 到 0FFEFh 范围内

80286可寻址 224=16MB 内存空间。然而为保持与 8086 兼容性，需要解决地址回绕的问题

解决方案：引入 A20 地址线（第 21 根地址线），控制是否启用地址回绕

意义体现

  1. 兼容性：实模式下禁用 A20 可模拟 8086 地址回绕行为，确保旧软件正常运行
  2. 扩展性：保护模式下启用 A20 可访问超过 1 MB 内存空间，充分利用 80286 及后续处理器的地址总线扩展

保护模式不打开A20

21位恒置0，可得到地址线宽度所决定的地址空间范围内任意的奇数兆段的地址，如1M（00000hFFFFFh），3M（200000h2FFFFFh），5M（400000h~4FFFFFh），但却得不到偶数兆段的地址

所以进保护模式之前都要习惯性的开启A20，A20的相关电路虽然不是在CPU内部，但与CPU关系密切

16 位向 32 位过渡关键设计

保护模式

32 位寄存器和指令集扩展

分页机制

内存隔离、共享和保护，现代操作系统的核心特性之一

虚拟 8086 模式（Virtual 8086 Mode）

为过渡期的软件提供了平滑的迁移路径

任务状态段（Task State Segment, TSS）

为操作系统的多任务调度提供了硬件支持，是实现多任务操作系统的关键机制

中断描述符表（Interrupt Descriptor Table, IDT）

管理中断和异常处理

为操作系统提供了统一的中断和异常处理机制，增强了系统的稳定性和安全性

浮点运算单元（FPU）

80387 是 80386 的浮点协处理器，用于加速浮点运算

FPU 显著提升了处理器的科学计算能力，为图形处理、工程计算等应用提供了支持

高速缓存（Cache）

80386 开始引入高速缓存机制，用于加速内存访问