内存寻址

1.内存地址

 逻辑地址(logical address)也叫虚拟地址(virtual address)指的是机器语言指令中，用来指定一个操作数或者是一条指令的地址。在进行C语言指针编程中，可以读取指针变量本身值(&操作)，实际上这个值就是逻辑地址，它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）；

 

 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。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)用于内存芯片级的单元寻址，与处理器和CPU连接的地址总线相对应。

三者关系：

    逻辑地址---分段单元-->线性地址---分页单元-->物理地址

 

2.分段

 分段单元把逻辑地址转换成线性地址。

 逻辑地址由16位的段标识符(段选择符)和32位的段内相对地址的偏移量组成。段寄存器的唯一目的是存放段选择符。

 每一个段都由一个8字节的段描述符表示。段描述符放在全局描述发表(GDT)或局部描述符表(LDT)中。GDT在主存中的地址和大小存放在gdtr控制寄存器中，LDT在主存中的地址和大小存放在ldtr控制寄存器中。

 linux中所有段都从0x00000000开始，所以linux下逻辑地址与线性地址是一致的。2.6版的Linux只有在80x86结构下才需要使用分段。

 linux中每个CPU对应一个GDT，所有的GDT都存放在cpu_gdt_table数组中；而所有GDT的地址和它们的大小存放在cpu_gdt_descr数组中。

 

3.硬件中的分页

 分页单元把线性地址转换成物理地址。

 Intel处理器的分页单元处理4KB的页。二级分页模式将32位线性地址分成3个域：

Directory(页目录) 最高的10位； Table(页表)：中间10位； Offset(偏移量)：最低12位。

 每个活动的进程必须有一个分配给它的页目录，但没必要立刻为该进程的所有页表都分配RAM，只有在进程实际需要一个页表时，才分配RAM。

 扩展分页允许页框大小为4MB，即使用一级分页模式：

Directory(页目录) 高的10位；Offset(偏移量)：低22位。

 

 物理地址扩展(PAE)分页机制可将32位线性地址转换为36位的物理地址。引入了页目录指针表(PDPT),即增加了页表级别。页表项的物理字段从20位扩展到24位，而PAE页表项也必须包含12个标志位，页表项需占36位，所以使页表项大小由32位变为64位。此时4KB的页表包含512个页表项，只需线性地址中的9位就能识别。在这种模式下，cr3寄存器包含PDPT基地址字段。

当线性地址映射到4KB的页时，线性地址按以下方式解析：

cr3      ：     指向PDPT

位31-30  ：     指向PDPT中4个项中的一个

位29-21  ：     指向页目录中512个项中的一个

位20-12  ：     指向页表中512个项中的一个

位11-0   ：     4KB页中的偏移量

当线性地址映射到2MB的页时，线性地址按以下方式解析：

cr3      ：     指向PDPT

位31-30  ：     指向PDPT中4个项中的一个

位29-21  ：     指向页目录中512个项中的一个

位20-0   ：     2MB页中的偏移量