当处理器尝试访问不存在的物理地址时会发生什么？

Question

想象一台32位x86计算机，内存不到3GB，CPU设置为禁用分页和平面段描述符（基地址为0x0，数据和代码的有效限制均为0xffffffff）。

当ring0中的指令尝试使用mov指令引用未被任何内存地址支持的物理地址时会发生什么？

QEMU仿真会出现错误，如“fatal: Trying to execute code outside RAM or ROM”。

这些异常与内存问题有关：

1.它不应该是“Segment Not Present (#NP)”，因为只有在加载段寄存器时才会发生，但我实际上可以加载平面段而没有问题。

2.“Stack Fault (#SS)”不应该生成，因为代码不引用堆栈。

3.由于代码正在ring-0中运行，并且段被设置为允许访问每个物理地址，因此不应该发生“General Protection (#GP)”。

4.分页已禁用，因此也不是“Page Fault (#PF)”。

5.它不是对齐问题，因此不应触发“Alignment Check (#AC)”。

我已经没有其他选择了，我不知道应该发生什么。

- gfv

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你的编程问题是什么？从编程角度来看，正确的答案是“不要那样做”。 - Raymond Chen

请注意，物理地址空间包括设备具有其MMIO寄存器的MMIO区域。例如，在PC上通常在768MiB和1GiB之间，如果我没记错的话。以及ROM。因此，“不存在的物理地址”表示不是RAM、ROM或MMIO。 - Peter Cordes

Answer 1

如果禁用分页并且当前段的限制为4GiB（在32位模式下），则不存在“不存在”的地址：

在这种情况下，所有2 ^ 32个可能的地址都存在，并且可以读取和写入。

如果在没有RAM，ROM等位置的地址进行读取或写入操作，则取决于CPU外部的硬件而不是CPU本身。

向此类地址的写操作通常会被忽略，读操作通常会导致一个无意义的值（在大多数PC上是“全部为1”的值，如0xFF，0xFFFF，0xFFFFFFFF）。

从理论上讲，这样的地址访问可能会导致中断甚至崩溃计算机，具体取决于地址。但是，这并不是由CPU本身完成的，而是由其他硬件组件完成的。

在该地址上执行代码基本上仅相当于从该地址读取访问。

- Martin Rosenau

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读取“无意义的值”是计算机在启动时如何确定安装了多少内存的方式... - Kerrek SB

@KerrekSB：要检查给定地址是否为RAM，您需要向RAM写入一个值并读回该值。为了确保，您还应该使用不同的值进行此操作。但是，无法确定某个地址是否包含ROM（包含值为0xFF的字节）或仅为空！ - Martin Rosenau

@MartinRosenau：这是我使用_int 15h/AX=E820h_（如果需要，可以回退到AX=E802h/8800h）来映射内存并在进入保护模式之前找到可用的RAM的原因之一。另外，ROM中的BIOS扩展（1mb以下和A000:0000以上）可以通过扫描2kb块的内存查找前两个字节中的0x55、0xAA来发现。如果找到，则第三个字节将包含BIOS扩展消耗的512字节块数。 - Michael Petch

我认为这取决于CPU的实现方式。根据8086数据手册，有一个READY信号，它是从被寻址的内存或I/O设备发出的确认信号，表明它将完成数据传输。 - youfu

Answer 2

我理解的是，对于非分页内存的访问会直接进入总线，导致行为未定义（取决于芯片组、总线类型等）--请参见 手动探测

注意：尝试读写不存在的内存时，您永远不会收到错误提示--这一点很重要：您将不会获得有效结果，但也不会收到错误提示。

- Aki Suihkonen

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根据硬件设计，这可能是真实的也可能不是。一些处理器可能没有在传入数据总线上的同步器，并且可能依赖于外部硬件来确保总线状态在被采样时不会改变。如果总线处于浮动状态，并且恰好在错误的时间发生了变化，可能会导致相当“有趣”的后果，其中最少惊人的可能是在基于读取值设置或清除标志的架构上，标志可能与报告的值不一致。 - supercat