如今很多CPU的设计模型都起源于x86系列，在早期Intel8086芯片有20位的地址总线，所以最大可以访问 2^20=1MB 的内存空间。由于8086处理器的寄存器只有16位，所以采用段基址*16 + 段内偏移值的方式访问1M字节的物理地址空间。
如下图可见，从Intel80826开始，处理器以两种不同的方式执行地址转换，这两种方式分别为实模式和保护模式。
实模式
实模式存在的主要原因是要维持处理器与早期模型兼容，它的特性是1MB的内存物理空间可被寻址，没有硬件支持的分页机制和实时多任务概念。在80286及以后的x86系列兼容处理器仍然是开机启动时工作在实模式下。物理地址计算方法如下图所示：
保护模式
在保护模式下段寄存器中不再存放段基址, 而是存放索引内存中描述符表的选择符。分段单元执行以下操作：
- 检查段选择符的TI字段，以决定段描述符保存在哪一个描述符表中(GDT or LDT)。
- 通过选择符的index字段计算段描述符的地址，index字段的值乘以8(一个段描述符的大小为8字节)，将这个结果与gdtr或者ldtr寄存器中的内容相加。
- 把逻辑地址的偏移量与段描述符Base字段的值相加得到了线性地址又称虚拟地址。
分页单元：
分段对内存区域的映射是按照程序为单位，为了使程序局部性原理得到充分的利用，人们想到了更小粒度的内存分割和映射方法，大大提高了内存的使用率，这种方法就是分页。通过 MMU(Memory management unit)把虚拟地址转换为物理地址。通常两级页表对32位的系统来说已经足够用了，但64位系统需要更多数量的分页级别。具体操作如下：
- 通过虚拟地址找到页表中对应的条目，检查有效位，是否需要触发页错误。
- 根据第一层的页目录中的条目指向其他的目录，直到找到最后页表中的物理页号(PPN)所对应的内存中的地址。
- 最后把虚拟页偏移量(VPO)和前面的实际地址拼起来，就是最终的物理地址了。
使用虚拟内存主要是基于下面三个考虑：
- 可以更有效率的使用内存：使用 DRAM 当做部分的虚拟地址空间的缓存。
- 简化内存管理：每个进程都有统一的线性地址空间。
- 隔离地址控件：进程之间不会相互影响；用户程序不能访问内核信息和代码。
计算机启动过程
了解了以上知识后，就能明白计算机启动的原理和过程了。在按下主机电源后，第一个运行的程序是BIOS(Base Input & Output System)，即基本输入输出系统，主要功能是检测和初始化硬件的。在开机的一瞬间，内存中什么程序都没有，那么BIOS程序是如何自启动的？被加载到哪里？
既然不能通过软件加载，那么只能依靠硬件了。BIOS代码工作是不会变的，它被写到了ROM中，被映射在低端1MB内存的顶部。80x86系列的CPU硬件都设计为加电即进入16位实模式状态运行，并且强行将代码段寄存器(CS)的值设置为0xF000、指令指针寄存器(IP)的值设置为0xFFF0。在实模式下段基址要乘以16，再加上偏移值。这样BIOS程序的入口地址便是0xFFFF0，改程序的第一条指令就存在这个位置。启动过程如下：
- 启动BIOS（全称：Base Input & Output System），准备实模式下的中断向量表和中断服务程序
- 从启动盘加载操作系统到内存（利用中断）
- 为main函数做过渡准备工作
总结
下图含括了实模式和保护模式的地址计算方式：
