分类： LINUX
2012-05-29 11:31:01
线性地址是逻辑地址到物理地址变换之间的中间层,是处理器可寻址的内存空间(称为线性地址空间)中的地址。程序代码会产生逻辑地址,或者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,那么线性地址可以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。不过,在开启分页功能之后,一个线性地址可能没有相对映的物理地址,因为它所对应的内存可能被交换到硬盘中。32位线性地址可用于定位4GB存储单元。
所谓物理地址,就是指系统内存的真正地址。对于32
位的操作系统,它的范围为0x00000000~0xFFFFFFFF,共有4GB。只有当CPU工作于分页模式时,此种类型的地址才会变得非常“有趣”。本质上,一个物理地址是CPU插脚上可测量的电压。操作系统通过设立页表将线性地址映射为物理地址。Windows
2K/XP所用页表布局的某些属性对于调试软件开发人员非常有用。
分页机制把线性地址空间和物理地址空间分别划分为大小相同的块。这样的块称为页。通过在线性地址空间的页与物理地址空间的页之间建立映射,分页机制可以实现线性地址到物理地址的转换。线性地址空间的页与物理地址空间的页之间的映射可根据需要来确定。线性地址空间的任何一页,可以映射为物理地址空间中的任何一页。
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逻辑地址（Logical Address） 是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。
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
80x86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）。
物理地址（Physical Address）
是指出目前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。
虚拟内存（Virtual Memory）是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。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。
逻辑地址（Logical Address） 是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。
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）。
物理地址（Physical Address） 是指出目前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。
虚拟内存（Virtual Memory）是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。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。
CPU将一个虚拟内存空间中的地址（逻辑地址）转换为物理地址，需要进行两步：首先将给定一个逻辑地址，CPU要利用其段式内存管理单元，先将为个逻辑地 址转换成一个线程地址，再利用其页式内存管理单元，转换为最终物理地址。 这样做两次转换，的确是非常麻烦而且没有必要的，因为直接可以把线性地址抽像给进程。之所以这样冗余，Intel完全是为了兼容而已。
CPU的页式内存管理单元，负责把一个线性地址，转换为物理地址。从管理和效率的角度出发，线 性地址被分为以固定长度为单位的组，称为页(page)，例如一个32位的机器，线性地址最大可为4G，可以用4KB为一个页来划分，这页，整个线性地址 就被划分为一个tatol_page[2^20]的大数组，共有2的20个次方个页。这个大数组我们称之为页目录。目录中的每一个目录项，就是一个地址 ——对应的页的地址。 另一类“页”，我们称之为物理页，或者是页框(frame)、页桢的。是分页单元把所有的物理内存也划分为固定长度的管理单位，它的长度一般与内存页是一 一对应的。 这里注意到，这个total_page数组有2^20个成员，每个成员是一个地址（32位机，一个地址也就是4字节），那么要单单要表示这么一个数组，就 要占去4MB的内存空间。为了节省空间，引入了一个二级管理模式的机器来组织分页单元。文字描述太累，看图直观一些：
如上图，
分页单元中，页目录是唯一的，它的地址放在CPU的cr3寄存器中，是进行地址转换的开始点。
每一个活动的进程，因为都有其独立的对应的虚似内存（页目录也是唯一的），那么它也对应了一个独立的页目录地址。——运行一个进程，需要将它的页目录地址放到cr3寄存器中，将别个的保存下来。
每一个32位的线性地址被划分为三部份，面目录索引(10位)：页表索引(10位)：偏移(12位) 依据以下步骤进行转换：
(1) 从cr3中取出进程的页目录地址（操作系统负责在调度进程的时候，把这个地址装入对应寄存器）；
(2) 根据线性地址前十位，在数组中，找到对应的索引项，因为引入了二级管理模式，页目录中的项，不再是页的地址，而是一个页表的地址。（又引入了一个数组），页的地址被放到页表中去了。
(3) 根据线性地址的中间十位，在页表（也是数组）中找到页的起始地址；
(4) 将页的起始地址与线性地址中最后12位相加，得到最终我们想要的葫芦；这个转换过程，应该说还是非常简单地。
全部由硬件完成，虽然多了一道手续，但是节约了大量的内存，还是值得的。那么再简单地验证一下：
1、这样的二级模式是否仍能够表示4G的地址；页目录共有：2^10项，也就是说有这么多个页表每个目表对应了：2^10页；每个页中可寻址：2^12个字节。还是2^32 = 4GB
2、这样的二级模式是否真的节约了空间；也就是算一下页目录项和页表项共占空间 (2^10 * 4 + 2 ^10 *4) = 8KB。值得一提的是，虽然页目录和页表中的项，都是4个字节，32位，但是它们都只用高20位，低12位屏蔽为0，因为这样，它刚好和一个页面大小对应 起来，大家都成整数增加。计算起来就方便多了。但是，为什么同时也要把页目录低12位屏蔽掉呢？因为按同样的道理，只要屏蔽其低10位就可以了，不过我 想，因为12>10，这样，可以让页目录和页表使用相同的数据结构，方便。
