从零写OS（三）：进入 64 位，CPU 真正醒了

Wed, 06 May 2026 03:00:00 +0000

上一章切到了保护模式，32 位，最多 4GB 内存。

听起来挺多，但现代系统动不动就几十 GB 内存，4GB 根本不够用。所以还得再往前走一步：进入长模式（Long Mode，x86_64 的 64 位工作模式，支持 128TB 虚拟地址空间）。

现在跑在你电脑上的 Linux、macOS、Windows，全都在长模式里。

长模式比保护模式多了什么

最直接的：寻址空间从 4GB 扩展到理论上的 16EB（16 × 10¹⁸ 字节），实际当前 CPU 支持 128TB，够用很久了。

但更重要的变化是强制引入了分页（Paging，把物理内存切成固定大小的页，通过页表做虚拟地址到物理地址的映射）。

保护模式下分页是可选的，长模式下分页是必须开启的。没有页表，CPU 根本不让你进长模式。

切换之前，必须在内存里建好页表（Page Table，记录虚拟地址到物理地址映射关系的数据结构）。

x86_64 用四级页表，一个虚拟地址的翻译路径是：

虚拟地址 → PML4 → PDPT → PD → PT → 物理地址

每级都是一张表，每张表 512 项，每项 8 字节。

启动阶段不需要映射所有内存，先映射前 2MB 就够了——把四张表放在物理地址 0x1000 开始的位置，让虚拟地址和物理地址一一对应（恒等映射，虚拟地址和物理地址相同，是启动阶段最简单的映射策略）。

在 32 位保护模式下，按顺序操作：

建好页表，把 PML4 地址写入 CR3（页表根寄存器）
开启 PAE（Physical Address Extension，物理地址扩展，让 32 位系统支持超过 4GB 的物理地址，长模式必须开启）：CR4.PAE=1
设置 EFER.LME=1（通过 MSR 寄存器（Model Specific Register，CPU 内部的特殊寄存器，用 rdmsr/wrmsr 读写）开启长模式使能位）
开启分页：CR0.PG=1，CPU 正式进入长模式兼容态
far jump 跳入 64 位代码段，彻底进入 64 位模式

顺序不能乱。尤其是第 3 步必须在开启分页之前，不然 CPU 会拒绝。