0.7 内存访问为什么要分段
按理说咱们应该先看看段是什么，不过了解段是什么之前，先看看内存是什么样子，如图0-2所示。
内存按访问方式来看，其结构就如同上面的长方形带子，地址依次升高。为了解释问题更明白，我们假设还在实模式下，如果读者不清楚什么是实模式也不要紧，这并不影响理解段是什么，故暂且先忽略。
内存是随机读写设备，即访问其内部任何一处，不需要从头开始找，只要直接给出其地址便可。如访问内存0xC00，只要将此地址写入地址总线便可。问题来了，分段是内存访问机制，是给CPU用的访问内存的方式，只有CPU才关注段，那为什么CPU要用段呢，也就是为什么CPU非得将内存分成一段一段的才能访问呢？
说来话长，现实行业中有很多问题都是历史遗留问题，计算机行业也不能例外。分段是从CPU 8086开始的，限于技术和经济，那时候电脑还是非常昂贵的东西，所以CPU和寄存器等宽度都是16位的，并不是像今天这样寄存器已经扩展到64位，当然编译器用的最多的还是32位。16位寄存器意味着其可存储的数字范围是2的16次方，即65536字节，64KB。那时的计算机没有虚拟地址之说，只有物理地址，访问任何存储单元都直接给出物理地址。
编译器在编译程序时，肯定要根据CPU访问内存的规则将代码编译成机器指令，这样编译出来的程序才能在该CPU上运行无误，所以说，在直接以绝对物理地址访问内存的CPU上运行程序，该程序中指令的地址也必须得是绝对物理地址。总之，要想在该硬件上运行，就要遵从该硬件的规则，操作系统和编译器也无一例外。
若加载程序运行，不管其是内核程序，还是用户程序，程序中的地址若都是绝对物理地址，那该程序必须放在内存中固定的地方，于是，两个编译出来地址相同的用户程序还真没法同时运行，只能运行一个。于是伟大的计算机前辈们用分段的方式解决了这一问题，让CPU采用“段基址+段内偏移地址”的方式来访问任意内存。这样的好处是程序可以重定位了，尽管程序指令中给的是绝对物理地址，但终究可以同时运行多个程序了。
什么是重定位呢，简单来说就是将程序中指令的地址改写成另外一个地址，但该地址处的内容还是原地址处的内容。
CPU采用“段基址+段内偏移地址”的形式访问内存，就需要专门提供段基址寄存器，这些是cs、ds、es等。程序中需要用到哪块内存，只要先加载合适的段到段基址寄存器中，再给出相对于该段基址的偏移地址便可，CPU中的地址单元会将这两个地址相加后的结果用于内存访问，送上地址总线。
注意，很多读者都觉得段基址一定得是65536的倍数（16位段基址寄存器的容量），这个真的不用，段基址可以是任意的。这就是段可以重叠的原因。
举个例子，看图0-2，假设段基址为0xC00，要想访问物理内存0xC01，就要将用0xC00：0x01的方式来访问才行。若将段基址改为0xc01，还是访问0xC01，就要用0xC01：0x00的方式来访问。同样，若想访问物理内存0xC04，段基址和段内偏移的组合可以是：0xC01：0x03、0xC02：0x02、0xC00：0xC04等，总之要想访问某个物理地址，只要凑出合适的段基地址和段内偏移地址，其和为该物理地址就行了。这时估计有人会问这样行不行，0xC05：-1，能这样提问的同学都是求知欲极强的，可以自己试一下。
说了这么多，我想告诉你的是只要程序分了段，把整个段平移到任何位置后，段内的地址相对于段基址是不变的，无论段基址是多少，只要给出段内偏移地址，CPU就能访问到正确的指令。于是加载用户程序时，只要将整个段的内容复制到新的位置，再将段基址寄存器中的地址改成该地址，程序便可准确无误地运行，因为程序中用的是段内偏移地址，相对于新的段基址，该偏移地址处的内存内容还是一样的，如图0-3所示。
所以说，程序分段首先是为了重定位，我说的是首先，下面还有其他理由呢。
偏移地址也要存入寄存器，而那时的寄存器是16位的，也就是一个段最多可以访问到64KB。而那时的内存再小也有1MB，改变段基址，由一个段变为另一个段，就像一个段在内存中飘移，采用这种在内存中来回挪位置的方式可以访问到任意内存位置。
所以说，程序分段又是为了将大内存分成可以访问的小段，通过这样变通的方法便能够访问到所有内存了。
但想一想，1M是2的20次方，1MB内存需要20位的地址才能访问到，如何做到用16位寄存器访问20位地址空间呢？
在8086的寻址方式中，有基址寻址，这是用基址寄存器bx或bp来提供偏移地址的，如“mov [bx]，0x5；”指令便是将立即数0x5存入ds：bx指向的内存。
大家看，bx寄存器是16位的，它最大只能表示0～0xFFFF的地址空间，即64KB，也就是单一的一个寄存器无法表示20位的地址空间——1MB。也许有人会说，段基址和段内偏移地址都搞到最大，都为0xFFFF，对不起，即使不溢出的话，其结果也只是由16位变成了17位，即两个n位的数字无论多大，其相加的结果也超不过n+1位，因为即使是两个相同的数相加，其结果相当于乘以2，也就是左移一位而已，依然无法访问20位的地址空间。也许读者又有好建议了：CPU的寻址方式又不是仅仅这一种，上面的限制是因为寄存器是16位，只要不全部通过寄存器不就行了吗。既然段寄存器必须得用，那就在偏移地址上下功夫，不要把偏移地址写在寄存器里了，把它直接写成20位立即数不就行啦。例如mov ax，[0x12345]，这样最终的地址是ds+0x12345，肯定是20位，解决啦。不错，这种是直接寻址方式，至少道理上讲得通，这是通过编程技巧来突破这一瓶颈的，能想到这一点我觉得非常nice。但是作为一个严谨的CPU，既然宣称支持了通过寄存器来寻址，那就要能够自圆其说才行，不能靠程序员的软实力来克服CPU自身的缺陷。于是，一个大胆的想法出现了。
16位的寄存器最多访问到64KB大小的内存。虽然1MB内存中可容纳1MB/64KB=16个最大段，但这只是可以容纳而已，并不是说可以访问到。16位的寄存器超过0xffff后将会回卷到0，又从0重新开始。20位宽度的内存地址空间必然只能由20位宽度的地址来访问。问题又来了，在当时只有16位寄存器的情况下是如何做到访问20位地址空间的呢？
这是因为CPU设计者在地址处理单元中动了手脚，该地址部件接到“段基址+段内偏移地址”的地址后，自动将段基址乘以16，即左移了4位，然后再和16位的段内偏移地址相加，这下地址变成了20位了吧，行啦，有了20位的地址便可以访问20位的空间，可以在1MB空间内自由翱翔了。