内存分段机制与分页机制

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我是靠谱客的博主激昂石头，最近开发中收集的这篇文章主要介绍内存分段机制与分页机制，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

（一）：逻辑地址（Logical Address）

指由程式产生的和段相关的偏移地址部分。例如，你在进行C语言指针编程中，能读取指针变量本身值(&操作)，实际上这个值就是逻辑地址，他是相对于你当前进程数据段的地址，不和绝对物理地址相干。只有在Intel实模式下，逻辑地址才和物理地址相等（因为实模式没有分段或分页机制,Cpu不进行自动地址转换）；逻辑也就是在Intel保护模式下程式执行代码段限长内的偏移地址（假定代码段、数据段如果完全相同）。应用程式员仅需和逻辑地址打交道，而分段和分页机制对你来说是完全透明的，仅由系统编程人员涉及。应用程式员虽然自己能直接操作内存，那也只能在操作系统给你分配的内存段操作。

（二）：线性地址（Linear Address）

是逻辑地址到物理地址变换之间的中间层。程式代码会产生逻辑地址，或说是段中的偏移地址，加上相应段的基地址就生成了一个线性地址。如果启用了分页机制，那么线性地址能再经变换以产生一个物理地址。若没有启用分页机制，那么线性地址直接就是物理地址。Intel 80386的线性地址空间容量为4G（2的32次方即32根地址总线寻址）。

（三）：物理地址（Physical Address）

指出目前CPU外部地址总线上的寻址物理内存的地址信号，是地址变换的最终结果地址。如果启用了分页机制，那么线性地址会使用页目录和页表中的项变换成物理地址。如果没有启用分页机制，那么线性地址就直接成为物理地址了。

（四）：虚拟内存（Virtual Memory）

指计算机呈现出要比实际拥有的内存大得多的内存量。因此他允许程式员编制并运行比实际系统拥有的内存大得多的程式。这使得许多大型项目也能够在具有有限内存资源的系统上实现。一个非常恰当的比喻是：你不必非常长的轨道就能让一列火车从上海开到北京。你只需要足够长的铁轨（比如说3公里）就能完成这个任务。采取的方法是把后面的铁轨即时铺到火车的前面，只要你的操作足够快并能满足需求，列车就能象在一条完整的轨道上运行。这也就是虚拟内存管理需要完成的任务。拆东墙，补西墙，在Linux0.11内核中，给每个程式（进程）都划分了总容量为64MB的虚拟内存空间。因此程式的逻辑地址范围是0x0000000到0x4000000。有时我们也把逻辑地址称为虚拟地址。因为和虚拟内存空间的概念类似，逻辑地址也是和实际物理内存容量无关的。逻辑地址和物理地址的“差距”是0xC0000000，是由于虚拟地址->线性地址->物理地址映射正好差这个值。这个值是由操作系统指定的。机理逻辑地址（或称为虚拟地址）到线性地址是由CPU的段机制自动转换的。如果没有开启分页管理，则线性地址就是物理地址。如果开启了分页管理，那么系统程式需要参和线性地址到物理地址的转换过程。具体是通过设置页目录表和页表项进行的。

1段选择符

段选择符为16位。为了方便查找段选择符，CPU提供了段寄存器来存放段选择符。段寄存器有cs, ss, ds, es, fs, gs（为16位）,主要的有cs:代码段寄存器。包含程序指令的段；ss:栈段寄存器。指向当前程序栈的段。ds：数据段。指向静态数据或者全局数据段。段选择符的字段如下图：

TI表示段描述符存放在GDT还是存放在LDT，0表示存放在GDT。1存放在LDT。 INDEX表示的是选择索引号。就是用此索引号来在GDT中检索相应的段描述符。 RPL（requested privilege level）表示的是请求者的特权级。

2全局描述符表GDT（Global Descriptor Table）在整个系统中，全局描述符表GDT只有一张(一个处理器对应一个GDT)，GDT可以被放在内存的任何位置，但CPU必须知道GDT的入口，也就是基地址放在哪里，Intel的设计者门提供了一个寄存器GDTR用来存放GDT的入口地址，程序员将GDT设定在内存中某个位置之后，可以通过LGDT指令将GDT的入口地址装入此积存器，从此以后，CPU就根据此寄存器中的内容作为GDT的入口来访问GDT了。GDTR中存放的是GDT在内存中的基地址和其表长界限。GDTR是一个长度为48bit的寄存器，内容为一个32位的基地址和一个16位的段限。其中32位的基址是指GDT在内存中的地址。

3局部描述符表LDT（Local Descriptor Table）局部描述符表可以有若干张，每个任务可以有一张。我们可以这样理解GDT和LDT：GDT为一级描述符表，LDT为二级描述符表。LDT本身同样是一段内存，也是一个段，所以它也有个描述符描述它，这个描述符就存储在GDT中，对应这个描述符也会有一个选择符，LDTR装载的就是这样一个选择符。cpu在GDT中寻址LDT时，也需要使用选择符。LDTR是局部描述符寄存器，由一个可见的16位寄存器（存储段选择符）和一个不可见的描述符寄存器组成（描述符寄存器实际上是一个不可见的高速缓冲区）。当选择符被装入段寄存器时，cpu会自动将其对应的描述符装入描述符寄存器。系统任务切换时，LDT切换，而GDT不切换（因为真个系统只有一个GDT），这时新任务的LDT描述符的选择子就被装入到LDTR中。LDT不包含在GDT中。GDT中只是包含了LDT描述符（一个指向LDT起始地址的指针）。

注：IA-32为LDT的入口地址也提供了一个寄存器LDTR，因为在任何时刻只能有一个任务在运行，所以LDT寄存器全局也只需要有一个。如果一个任务拥有自身的LDT，那么当它需要引用自身的LDT时，它需要通过lldt指令将其LDT的段描述符装入此寄存器。lldt指令与lgdt指令不同的时，lgdt指令的操作数是一个32-bit的内存地址，这个内存地址处存放的是一个32-bit GDT的入口地址，以及16-bit的GDT Limit。而lldt指令的操作数是一个16-bit的选择子，这个选择子主要内容是：被装入的LDT的段描述符在GDT中的索引值

例子：
若给定一个逻辑地址是 a:b ，根据逻辑地址的a（段选择符）的T1位确定是选择GDT还是LDT。
a、若是T1位选择GDT，根据GDTR找到GDT的基址，根据a的 3~15位确定它的段描述符X在GDT中的位置（GDTR即基址+a的3-15bit即相对位置）：确定段描述符X，再根据段描述符提取出其中包含的段基址信息，段基址+b（段内偏移），最终确定线性地址。
b、若是T1位选择LDT，根据GDTR找到GDT的基址，根据LDTR的高13位确定它的LDTX描述符在GDT中的位置（GDTR基址+LDTR13bit即相对位置）：确定LDTX描述符。LDTX描述符可以确定LDT的基址（LDTX描述符确定LDT表在内存中的起始位置），再根据段选择符a确定的相对位置，可以确定LDT中的私有段描述符Y。接下来同上面的：再根据段描述符提取出其中包含的段基址信息，段基址+b（段内偏移），最终确定线性地址。

每个任务都有自己的页目录和页表. 在处理器中有个控制寄存器CR3, 存放着当前任务页目录的物理地址, 故又叫做页目录基址寄存器(Page Directory Base Register: PDBR). 每个任务都有自己的TSS, 其中就包括了CR3寄存器域, 存放了任务自己的页目录物理地址. 当任务切换时, 处理器切换到新任务开始执行, 而CR3寄存器的内容也被更新, 以指向新任务的页目录位置. 相应的, 页目录又指向一个个的页表, 这就使得每个任务都只在自己的地址空间内运行. 从下图可以看出, 页目录和页表也是普通的页, 混迹于全部的物理页中. 它们和普通页的不同支持仅仅在于功能不一样. 当任务撤销之后, 它们和任务所占用的普通页一样会被回收, 并分配给其他任务.