2. x86 实模式基础：内存模型、段寄存器与物理地址计算、BIOS 中断服务
在 x86 体系结构中，实模式（Real Mode）是处理器上电或复位后首先进入的工作模式。它是 16 位模式的始祖，也是内核解压缩与地址重定位工程中必须跨越的第一道门槛。本章将深入剖析实模式的内存模型、段寄存器与物理地址计算机制，以及 BIOS 中断服务的调用规范，为后续的汇编启动代码编写奠定坚实的硬件基础。
2.1 实模式内存模型
实模式下的内存模型直接继承自 Intel 8086 架构，具有以下核心特征：
- 地址总线宽度：20 位，可寻址 1 MB（220 = 1,048,576 字节）的物理内存空间。
- 数据总线宽度：16 位，每次可读写 2 字节。
- 寄存器宽度：通用寄存器、段寄存器、指令指针寄存器均为 16 位。
- 内存分段：将 1 MB 空间划分为多个 64 KB 的段（Segment），通过“段基址:偏移量”的方式访问。
下表列出了实模式内存空间的典型布局（以 IBM PC/AT 兼容机为例）：
| 地址范围（十六进制） | 大小 | 用途 |
|---|---|---|
| 0x00000 – 0x003FF | 1 KB | 中断向量表（IVT） |
| 0x00400 – 0x004FF | 256 字节 | BIOS 数据区（BDA） |
| 0x00500 – 0x9FBFF | 约 638 KB | 常规内存（用户程序、操作系统） |
| 0x9FC00 – 0x9FFFF | 1 KB | 扩展 BIOS 数据区（EBDA） |
| 0xA0000 – 0xBFFFF | 128 KB | 视频显示内存（VGA 帧缓冲） |
| 0xC0000 – 0xDFFFF | 128 KB | 扩展 ROM（网卡、SCSI 卡等） |
| 0xE0000 – 0xEFFFF | 64 KB | 系统 BIOS 扩展 |
| 0xF0000 – 0xFFFFF | 64 KB | 系统 BIOS（包含 POST 和启动代码） |
2.2 段寄存器与物理地址计算
实模式下，物理地址的计算公式为：
物理地址 = (段基址 << 4) + 偏移量其中，段基址存储在 16 位的段寄存器中，偏移量由通用寄存器或指令指针提供。由于段基址左移 4 位（相当于乘以 16），因此段基址与偏移量的有效组合可以覆盖 1 MB 地址空间。
x86 架构提供了 4 个主要的段寄存器：
| 段寄存器 | 默认用途 | 典型关联指令 |
|---|---|---|
| CS（代码段） | 存放当前执行的指令 | JMP、CALL、RET |
| DS（数据段） | 存放程序使用的数据 | MOV、LODS、STOS |
| ES（附加段） | 字符串操作的目标段 | MOVS、SCAS、CMPS |
| SS（堆栈段） | 管理堆栈操作 | PUSH、POP、CALL |
下面通过一个具体的例子来演示物理地址的计算过程：
; 假设 CS = 0x07C0, IP = 0x0000
; 物理地址 = (0x07C0 << 4) + 0x0000
; = 0x7C00 + 0x0000
; = 0x7C00
; 这正是引导扇区被 BIOS 加载后的入口地址。CS=0x07C0, IP=0x0000 或 CS=0x0000, IP=0x7C00 访问。这种“段重叠”特性在地址重定位时经常被利用，但也容易导致代码逻辑混乱。
下面的 SVG 图展示了实模式下物理地址的计算流程与段寄存器的关系：
2.3 BIOS 中断服务
在实模式下，BIOS（Basic Input/Output System）提供了一套标准的中断服务例程（Interrupt Service Routines, ISRs），允许程序员通过软件中断指令 INT 调用底层硬件功能。这些服务是内核解压缩工程中与硬件交互的主要手段。
2.3.1 中断向量表（IVT）
中断向量表位于物理地址 0x00000 – 0x003FF（1 KB），共包含 256 个中断向量，每个向量占用 4 字节（段基址:偏移量）。当 CPU 执行 INT n 指令时，会自动查找 IVT 中第 n 个向量，并跳转到对应的中断处理程序。
; 中断向量表结构（每个向量 4 字节）
; 偏移量 0-1: 中断处理程序的偏移地址（IP）
; 偏移量 2-3: 中断处理程序的段基址（CS）
; 例如：INT 0x13 的向量位于 0x0000:0x004C – 0x0000:0x004F2.3.2 常用 BIOS 中断服务
下表列出了内核解压缩工程中常用的 BIOS 中断服务：
| 中断号 | 功能 | 典型用途 |
|---|---|---|
| INT 0x10 | 视频服务 | 设置显示模式、打印字符、读取屏幕信息 |
| INT 0x13 | 磁盘服务 | 读取/写入磁盘扇区、获取磁盘参数 |
| INT 0x15 | 系统服务 | 获取内存大小（E820 调用）、开启 A20 地址线 |
| INT 0x16 | 键盘服务 | 读取键盘输入、检测按键状态 |
| INT 0x1A | 时间服务 | 读取系统时钟、设置计时器 |
2.3.3 调用 BIOS 中断的规范
调用 BIOS 中断需要遵循严格的寄存器约定：
- 设置输入参数：将功能号（Function Number）放入
AH寄存器，其他参数按规范放入AL、BX、CX、DX等寄存器。 - 执行中断：使用
INT n指令触发中断。 - 检查返回值：中断返回后，检查
CF（进位标志）判断操作是否成功（通常CF=0表示成功，CF=1表示失败），并从指定寄存器读取返回数据。
; 功能：读取磁盘扇区
; 输入：AH = 0x02 (读扇区功能)
; AL = 扇区数 (1-128)
; CH = 柱面号 (低 8 位)
; CL = 扇区号 (位 0-5) | 柱面号高 2 位 (位 6-7)
; DH = 磁头号
; DL = 驱动器号 (0x00=软盘A, 0x80=硬盘C)
; ES:BX = 目标缓冲区地址
; 输出：CF = 0 成功，CF = 1 失败
; AH = 状态码
; AL = 实际读取的扇区数
mov ah, 0x02 ; 功能号：读扇区
mov al, 1 ; 读取 1 个扇区
mov ch, 0 ; 柱面号 0
mov cl, 2 ; 扇区号 2 (从第 2 个扇区开始)
mov dh, 0 ; 磁头号 0
mov dl, 0x80 ; 第一个硬盘
mov bx, 0x1000 ; 目标段基址
mov es, bx ; ES = 0x1000
mov bx, 0x0000 ; 目标偏移量 (ES:BX = 0x1000:0x0000)
int 0x13 ; 调用磁盘中断
jc disk_error ; 如果 CF=1，跳转到错误处理
; 读取成功，数据已加载到 0x10000 处下面的 SVG 图展示了 BIOS 中断调用的完整流程：
2.4 实模式下的地址重定位基础
地址重定位（Address Relocation）是指将代码或数据从一个内存位置移动到另一个位置，并修正其中的绝对地址引用。在实模式下，由于段寄存器的存在，地址重定位可以通过调整段基址来实现，而不需要修改代码中的偏移量。
实模式地址重定位的两种常见策略：
- 段基址调整法：保持代码中的偏移量不变，仅修改 CS、DS 等段寄存器的值。适用于代码内部使用相对寻址或段内短跳转的情况。
- 位置无关代码（PIC）：编写代码时全部使用相对寻址（如
JMP SHORT、CALL NEAR），避免绝对地址引用。这样代码可以在任意位置执行，无需修正。