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任何复杂的设计都有其基础，理解复杂的内容从简单入手更为重要。保护模式可以追溯到最基本的机制，它通过分页和分段机制实现内存管理的安全性和保护性。
在单任务时代，计算机内存分为两部分：一部分给操作系统，另一部分给应用程序。然而，多任务环境下，由于程序的地址在编译时就已经确定，若两个程序同时运行，可能会产生地址冲突。早期的解决方案并不能有效解决问题，因为它需要频繁地修改程序地址，带来较大的性能开销。此外，一次性修改其他程序的内存可能导致严重的系统故障。
为了解决这些问题，虚拟地址的概念被引入。例如，当程序A访问BASE_A+X时，通过映射表找到BASE_A对应的物理地址A1，然后加上偏移量X，最终访问A1+X。这种方式即使BASE_B等于BASE_A也不会产生冲突，整个过程由硬件MMU自动完成。
然而，一一映射的方法内存占用过大，因此采用分页表的方法。将内存分为4KB的页段，每个页段的起始地址存入映射表，缩小了内存占用至4MB。具体实现中，地址分为高20位页表索引和低12位偏移量，通过查找页表找到物理地址，最终确定实际访问位置。
分页机制的应用不仅限于内存管理，还包括文件映射。当文件太大无法完全加载时，触发缺页中断，动态分配内存并从磁盘读取。COW机制进一步优化了共享内存的管理，避免不必要的复制操作。
针对早期内存容量有限的问题，多级页表（如二级页表）被提出。页目录存储各页表地址，各页表存储内存页地址。通过多级分割，减少了页表大小，但增加了访问次数，进而优化了性能。CPU为了加速页表访问，配备了TLB缓存，减少了不命中率，提升了整体效率。
分段机制通过将内存划分为不同的段（如代码段、数据段、BSS段等），实现了内存的保护和隔离。每个段都有自己的基址和长度，段表记录段的属性和访问权限。段表中的基址和长宽分别存储在段表中，段的起始地址由程序中指定的段选择符和基址计算得出。这种机制确保了不同段之间的隔离性，防止了非法访问和修改。
页表中的标志位提供了丰富的功能选项。P位表示物理存在状态，R/W位控制可读写权限，U/S位区分特权和普通权限，PWT位控制缓存策略，PCD位禁止缓存，A位跟踪访问情况，D位判断页面是否修改。PS位区分4KB和4MB页面，G位用于进程间共享。
PS位在页目录中置1时，表示使用4MB物理页面，避免了两级页表的必要性。D位有助于判断页面是否需要写入磁盘，A位记录页面首次访问时间。这些标志位为页表管理提供了灵活的配置选项。
页表机制在多个方面发挥着重要作用。文件映射技术通过虚拟地址将大文件分成多个页面处理，确保内存利用最大化。COW机制在多进程共享时避免数据复制，提升内存效率。
保护模式通过分页和分段机制实现了进程的隔离性和内核的安全性。硬件权限控制确保了操作系统和内核代码的完整性，为现代操作系统的稳定运行奠定了基础。
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