为什么Intel的CPU要规定加电时进入实模式？直接进保护模式不可以吗？
你想问Intel的CPU为什么在启动时都要先进入实模式，而不是直接进入保护模式，对吧？这事儿说起来，还得从计算机最开始的设计说起，那可是一段挺有意思的历史。
首先得明白，CPU的设计不是凭空来的，它是伴随着操作系统、硬件技术一步步发展演变过来的。Intel的CPU，尤其是早期的x86架构，设计初衷和当时的市场需求紧密相关。
实模式：简陋但必要的第一步
当Intel推出第一个能够执行复杂指令集的处理器（比如8086）时，我们今天熟悉的操作系统，像Windows或者Linux，根本不存在。那时候的计算环境非常简单，基本上就是给CPU下达指令，它就照着做，没有复杂的内存管理，没有任务切换，也没有安全隔离。
直接访问硬件： 在实模式下，CPU的内存寻址是段式寻址（Segmented Addressing）。它用两个地址：段地址（Segment Address）和偏移地址（Offset Address）。段地址乘以16再加上偏移地址，就能得到一个物理地址。这种方式非常直接，CPU可以直接访问内存的每一个字节，没有中间层。这对于早期那些需要直接控制硬件的程序来说是必须的。想想看，那时候的程序开发者恨不得直接跟晶体管对话，越直接越好。
单任务环境： 实模式下，CPU一次只能运行一个程序，而且这个程序拥有对整个系统的绝对控制权。没有切换的概念，也就没有保护的概念。
寻址空间限制： 8086处理器的实模式最多只能访问1MB的内存。虽然放到现在看少得可怜，但在当时已经是相当了不起的进步了。通过一些特殊的机制（比如EMS内存扩展），还能访问更多，但这都建立在实模式的基础上。
为什么不能直接进保护模式？
如果你说为什么不能直接设计成一开始就进入保护模式，那就要问：谁来负责加载和配置保护模式？
保护模式，顾名思义，是为了保护而生的。它引入了以下关键概念：
1. 内存分页和分段： 允许操作系统将物理内存划分为更小的、逻辑性的块，并为每个块设置访问权限。这使得多个程序可以安全地运行在内存中，一个程序出错不会影响到其他程序。
2. 任务切换： 操作系统可以更容易地在不同的程序之间切换执行，实现多任务处理。
3. 特权级别： CPU有不同的运行级别（Ring 0 到 Ring 3），操作系统内核运行在Ring 0（最高权限），应用程序运行在Ring 3（最低权限）。这可以防止应用程序直接访问敏感的系统资源。
问题来了： 要进入保护模式，CPU需要知道一堆东西：
全局描述符表（GDT）： 这个表定义了内存段的属性（基地址、大小、类型和特权级别），CPU需要读取GDT来知道如何正确地访问内存。
中断描述符表（IDT）： 这个表定义了中断处理程序的地址和属性，CPU需要它来处理硬件中断和软件异常。
其他控制寄存器的配置： 比如CR0寄存器中的PE（Protection Enable）位，需要被设置为1才能进入保护模式。
问题就出在这里： 当CPU刚上电时，它什么都不知道。它的内部状态非常“干净”。它没有预先加载的GDT，没有预先加载的IDT，甚至不知道操作系统在哪里，在哪里可以找到配置保护模式所需的信息。
就好比你刚买了一台非常复杂的机器，它有很多高级功能，但这些功能需要你先按照说明书进行一系列的设置和校准，才能启动。如果这台机器从一开始就强制你使用最复杂的功能，但它本身还没有被正确配置呢？那它根本不知道该怎么做。
实模式的角色：充当“启动引导者”
这就是为什么实模式在这里扮演了一个至关重要的角色：它是CPU在启动初期的一个“简易模式”或者说“初始化模式”。
提供一个受控的初始环境： 实模式提供了一个简单、直接的硬件访问方式，让CPU能够执行最基本的指令。
引导加载器（Bootloader）的舞台： 当CPU上电并进入实模式后，它会从 BIOS（基本输入输出系统）或者UEFI（统一可扩展固件接口）的特定地址开始执行代码。BIOS/UEFI的功能就是进行基本的硬件自检（POST），然后找到启动设备（硬盘、U盘等），并加载引导加载器。
引导加载器的工作： 这个引导加载器（比如Windows的NTLDR或BOOTMGR，Linux的GRUB）的代码非常小，它运行在CPU的实模式下。它的首要任务就是：
1. 识别和加载操作系统内核： 它知道操作系统内核（比如Windows NT内核、Linux内核）通常放在磁盘的特定位置。
2. 为保护模式做准备： 在加载内核之前，引导加载器需要做一些非常关键的准备工作，这些工作也是在实模式下完成的：
发现和加载 GDT/IDT： 它需要将操作系统的GDT和IDT加载到内存中的某个固定位置。
分配内存： 它需要规划出内存的布局，为内核和后续进程预留空间。
设置控制寄存器： 最后，它会写入CPU的控制寄存器（比如CR0），将PE位设置为1，然后执行一个特殊的指令（如`ljmp`到保护模式下的代码段）来“跳”进保护模式。
为什么不是所有CPU都这样？
你可能会问，那为什么其他架构的CPU就不需要这样？例如，ARM架构的CPU在启动时，通常会直接进入其特权模式（System Mode或SVC模式），这是它的“内核模式”。
这是因为x86架构的设计历史非常悠久，它需要兼容大量的旧软件和设计理念。而ARM架构在设计之初就考虑了更现代的操作系统需求，其启动流程和特权模型更直接。
所以，Intel的CPU“规定”加电进入实模式，与其说是CPU本身的“硬性规定”，不如说是历史发展和架构设计留下的一个“启动流程”和“必要步骤”。实模式就像是为CPU穿上一个简易的“工作服”，让它能够安全、有序地完成穿上“保护模式的正式服装”这个复杂而关键的过程。没有这个中间的“穿衣”过程，CPU就没法知道怎么穿上那套复杂的保护模式服装。
简单来说，实模式是CPU上电后能够执行任何代码的唯一方式，而进入保护模式需要CPU执行的代码（由引导加载器提供）来设置好一切。所以，先在实模式下执行引导加载器，由它来配置好进入保护模式所需的一切，然后才“跳”进去。这个流程是x86架构兼容性和灵活性共同作用的结果。
首先得明白，CPU的设计不是凭空来的，它是伴随着操作系统、硬件技术一步步发展演变过来的。Intel的CPU，尤其是早期的x86架构，设计初衷和当时的市场需求紧密相关。
实模式：简陋但必要的第一步
当Intel推出第一个能够执行复杂指令集的处理器（比如8086）时，我们今天熟悉的操作系统，像Windows或者Linux，根本不存在。那时候的计算环境非常简单，基本上就是给CPU下达指令，它就照着做，没有复杂的内存管理，没有任务切换，也没有安全隔离。
直接访问硬件： 在实模式下，CPU的内存寻址是段式寻址（Segmented Addressing）。它用两个地址：段地址（Segment Address）和偏移地址（Offset Address）。段地址乘以16再加上偏移地址，就能得到一个物理地址。这种方式非常直接，CPU可以直接访问内存的每一个字节，没有中间层。这对于早期那些需要直接控制硬件的程序来说是必须的。想想看，那时候的程序开发者恨不得直接跟晶体管对话，越直接越好。
单任务环境： 实模式下，CPU一次只能运行一个程序，而且这个程序拥有对整个系统的绝对控制权。没有切换的概念，也就没有保护的概念。
寻址空间限制： 8086处理器的实模式最多只能访问1MB的内存。虽然放到现在看少得可怜，但在当时已经是相当了不起的进步了。通过一些特殊的机制（比如EMS内存扩展），还能访问更多，但这都建立在实模式的基础上。
为什么不能直接进保护模式？
如果你说为什么不能直接设计成一开始就进入保护模式，那就要问：谁来负责加载和配置保护模式？
保护模式，顾名思义，是为了保护而生的。它引入了以下关键概念：
1. 内存分页和分段： 允许操作系统将物理内存划分为更小的、逻辑性的块，并为每个块设置访问权限。这使得多个程序可以安全地运行在内存中，一个程序出错不会影响到其他程序。
2. 任务切换： 操作系统可以更容易地在不同的程序之间切换执行，实现多任务处理。
3. 特权级别： CPU有不同的运行级别（Ring 0 到 Ring 3），操作系统内核运行在Ring 0（最高权限），应用程序运行在Ring 3（最低权限）。这可以防止应用程序直接访问敏感的系统资源。
问题来了： 要进入保护模式，CPU需要知道一堆东西：
全局描述符表（GDT）： 这个表定义了内存段的属性（基地址、大小、类型和特权级别），CPU需要读取GDT来知道如何正确地访问内存。
中断描述符表（IDT）： 这个表定义了中断处理程序的地址和属性，CPU需要它来处理硬件中断和软件异常。
其他控制寄存器的配置： 比如CR0寄存器中的PE（Protection Enable）位，需要被设置为1才能进入保护模式。
问题就出在这里： 当CPU刚上电时，它什么都不知道。它的内部状态非常“干净”。它没有预先加载的GDT，没有预先加载的IDT，甚至不知道操作系统在哪里，在哪里可以找到配置保护模式所需的信息。
就好比你刚买了一台非常复杂的机器，它有很多高级功能，但这些功能需要你先按照说明书进行一系列的设置和校准，才能启动。如果这台机器从一开始就强制你使用最复杂的功能，但它本身还没有被正确配置呢？那它根本不知道该怎么做。
实模式的角色：充当“启动引导者”
这就是为什么实模式在这里扮演了一个至关重要的角色：它是CPU在启动初期的一个“简易模式”或者说“初始化模式”。
提供一个受控的初始环境： 实模式提供了一个简单、直接的硬件访问方式，让CPU能够执行最基本的指令。
引导加载器（Bootloader）的舞台： 当CPU上电并进入实模式后，它会从 BIOS（基本输入输出系统）或者UEFI（统一可扩展固件接口）的特定地址开始执行代码。BIOS/UEFI的功能就是进行基本的硬件自检（POST），然后找到启动设备（硬盘、U盘等），并加载引导加载器。
引导加载器的工作： 这个引导加载器（比如Windows的NTLDR或BOOTMGR，Linux的GRUB）的代码非常小，它运行在CPU的实模式下。它的首要任务就是：
1. 识别和加载操作系统内核： 它知道操作系统内核（比如Windows NT内核、Linux内核）通常放在磁盘的特定位置。
2. 为保护模式做准备： 在加载内核之前，引导加载器需要做一些非常关键的准备工作，这些工作也是在实模式下完成的：
发现和加载 GDT/IDT： 它需要将操作系统的GDT和IDT加载到内存中的某个固定位置。
分配内存： 它需要规划出内存的布局，为内核和后续进程预留空间。
设置控制寄存器： 最后，它会写入CPU的控制寄存器（比如CR0），将PE位设置为1，然后执行一个特殊的指令（如`ljmp`到保护模式下的代码段）来“跳”进保护模式。
为什么不是所有CPU都这样？
你可能会问，那为什么其他架构的CPU就不需要这样？例如，ARM架构的CPU在启动时，通常会直接进入其特权模式（System Mode或SVC模式），这是它的“内核模式”。
这是因为x86架构的设计历史非常悠久，它需要兼容大量的旧软件和设计理念。而ARM架构在设计之初就考虑了更现代的操作系统需求，其启动流程和特权模型更直接。
所以，Intel的CPU“规定”加电进入实模式，与其说是CPU本身的“硬性规定”，不如说是历史发展和架构设计留下的一个“启动流程”和“必要步骤”。实模式就像是为CPU穿上一个简易的“工作服”，让它能够安全、有序地完成穿上“保护模式的正式服装”这个复杂而关键的过程。没有这个中间的“穿衣”过程，CPU就没法知道怎么穿上那套复杂的保护模式服装。
简单来说，实模式是CPU上电后能够执行任何代码的唯一方式，而进入保护模式需要CPU执行的代码（由引导加载器提供）来设置好一切。所以，先在实模式下执行引导加载器，由它来配置好进入保护模式所需的一切，然后才“跳”进去。这个流程是x86架构兼容性和灵活性共同作用的结果。
网友意见
真有个别人需要在实模式下操作，在操作系统中切换不就行了？
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