8086分段内存是一个好主意

# 8086分段内存曾是个好主意（差不多是）。—— billpg industries™ 来源：https://owl.billpg.com/8086-segmented-memory-was-a-good-idea-almost/ 这个标题够标题党吧？哪个心智正常的人会为8086那令人发指的分段内存架构辩护？ 等我开始学8086汇编的时候，PC已经大多是80286了，但一切仍然在DOS下运行。“正常”的机器只有标准的640KB常规内存，每本汇编书里都有一个让人头疼的章节解释分段。我至今还留着那些“战斗伤疤”：近指针、远指针，还有那个臭名昭著的“你在哪我在哪指针”。 所以，当我自己在设计**Hearthfire（https://owl.billpg.com/hearthfire-part-one-lighting-the-flame/）**——一个假设的1980年代家用电脑项目，借事后之明，且无需承担实际制造硅片的负担——时做出类似架构决策时，我终于理解Intel当初为何那样选择了。分段本来可以成为未来的坚实根基，就差一个小细节，结果全毁了。 而那个细节，尴尬的是，就是我们自己。 软件开发者。 是我们搞砸了。 “有很多话想对你说，但我不知道怎么说。” 8086能够寻址1MB内存，这在当时64KB就算奢侈的时代是个巨大的数量。要做到这一点，需要20位地址。 但Intel没有给程序员提供20位寄存器，而是保留了熟悉的16位寄存器，缺失的4位来自第二组16位寄存器——段寄存器。每次内存访问都结合一个段寄存器和一个16位偏移量。 每个段的起始地址比前一个段多16字节。段之间严重重叠。同一个物理地址可以用多种不同的段+偏移组合来表示。要读取一个字节，你需要加载一个段（起始点）和一个偏移（离该点的距离）。在内部，CPU将段左移4位，然后加上偏移。 两个16位值产生一个20位地址。 难怪人人都恨它。 ## 最后的却成了最先的 嘲笑分段是件时髦事，但在它最初的情境下，这其实相当巧妙。 人们容易把8086看作是x86血统中的“第一”块芯片，尤其是每个后续型号都还带着它的实模式DNA。但故事要从更早讲起。 8080是1970年代中期的中坚力量。它运行着那个时代的主流操作系统CP/M，其16位地址总线给它一个整洁的64KB世界。（Z80是它更出名的表亲。） 随着软件增长，64KB天花板成了问题。客户想要更多内存，但他们也希望现有的汇编代码能继续运行。那时汇编还是人类手写的主要语言，你不能简单地为新CPU重新编译汇编。迁移到新架构真的意味着重写一切。 这样看来，Intel的主意很简单。 “我们把内存分成64KB的段。把你的8080代码加载到其中一个段里，把所有段寄存器指向那里，代码就能像以前一样运行。无需重写。无需折腾。” 从某个角度看，8086看起来像个有先见之明的设计。一个段加一个偏移总共32位，足以寻址4GB。虽然芯片只有20个地址引脚，但下一个芯片可以有更多。扩展段之间的重叠，一切就顺理成章了。 理论上，8086本可以优雅地扩展，直到我们需要64位寻址的那一天。 除了一件事…… ## 最先的却成了最后的 “段”这个名称揭示了Intel的意图。我们本不该把内存看作连续的1MB空间。我们本应该把它看作许多64KB的块，每个块由一个不透明的选择器标识。 你的程序向操作系统请求内存，操作系统给你一个段值。你把它加载到段寄存器中，然后用偏移量在其中索引。需要超过64KB？分配两个块。 但开发者不想要两个块。他们想要一个平坦的地址空间。 一旦人们意识到段之间总是相隔16字节，**规范化指针**就出现了。段寄存器变成了20位地址的高16位；偏移量提供了低4位。稍加处理，你就可以把内存当作几乎是连续的。 到了80286时代，这种做法已经根深蒂固。把重叠从16字节改成256字节会破坏一切。所以Intel为286的高级功能和24位寻址添加了一种新模式，而旧代码则留在实模式。 直到80386及其虚拟8086模式出现，主流软件才终于摆脱了1MB的限制。 如果我们当初都同意把段当作真正的段来对待，8086架构或许能持续数十年。 “那晚，亲爱的，我入睡时，梦见将你拥在怀里。当我醒来，亲爱的，我发现是场梦，于是低头哭泣。” ## 他们本应该怎么做？ 这里我得承认，没有简单的解决办法。 事后看来，我们需要的是把段当作真正的选择器——没有任何算术含义的不透明句柄。如果你不能假设下一个段就在前面16字节处，那你就不得不按预期使用分段。 但这需要每个段的元数据、存储这些元数据的空间以及管理它的硬件。而在当时64KB还算很多的时代，这并不现实。 而且即使Intel实现了这样的系统，只需要一个聪明的开发者发现一个未记录的捷径，就能把这种行为变成下一代芯片的硬性要求。 所以Hearthfire不会使用8086风格的分段。但它仍然是一个宝贵的经验教训。 **鸣谢** 📸 “We Picked A Poppy（https://www.flickr.com/photos/nyalr/53454097258/）” by “A Guy Named Nyal”。（Creative Commons） 📸 “I Broke The Build（https://www.flickr.com/photos/dhaun/5626938236/）” by Dirk Haun。（Creative Commons）