内存寻址

在计算机中各种地址让人眼花缭乱，这些地址的存在都是为了让CPU能准确的访问到存储器中的数据单元，那么CPU如何通过地址访问到存储单元的了？先来看一个图：

从此图可以看到CPU首先将虚拟地址送到MMU（内存管理单元），然后经MMU将虚拟地址转换成物理地址，最后就可以通过总线去访问到存储单元。在这个过程中MMU起到了举足轻重的作用，它将虚拟地址转换成了物理地址，接下来再看下图，看看MMU如何工作的。

在这个过程中，MMU首先将虚拟地址通过分段机制转换成线性地址，然后再通过分页机制将线性地址转换成物理地址，其中的每一步都有它的道理和设计的巧妙之处。此过程涉及到了三种不同的地址，即虚拟地址，线性地址，物理地址，和两种不同的机制：分段机制和分页机制。接下来就依次说说我对这些东东的理解。

       首先何为虚拟地址？我们都知道程序都运行在虚拟空间，在这上面的地址就是虚拟地址，此地址并非真正的物理地址，比如说你写的一条指令：printf();，当此指令对应一个虚拟的地址，当运行时才将此地址通过MMU映射到内存，即找到物理地址。一般用

“段：偏移量”来表示。线性地址是指一段连续的、不分段的、范围0~4GB的地址空间，一个线性地址就是线性地址空间的一个绝对地址。物理地址，这个就是真正硬件上的地址，每个物理地址对应一个内存存储单元。

那么现在再来看看分段机制如何实现，如何将虚拟地址转换成线性地址。在此我们先看看虚拟地址的结构：

其中选择子（selector）就是我们经常所说的CS、DS、ES、 FS、 SS、 GS等。这些16位的选择子又分为三部分：索引部分、TI部分和RPL（当前特权级）部分。其中RPL（0或3）决定当前进程访问相应段的权限；TI（为0或1），以此来决定当前进程是选择GDT(全局描述附表)，还是LDT(局部描述符表)；然后再由索引部分决定深入到GDT或LDT的偏移。GDT(LDT)相当于一个数组，存在于内存中，每个元素是一个8个字节的描述符，每个描述符都描述一个相应的段（如系统代码段、用户数据段、堆栈段）。由一个选择子惟一选择一个描述符，然后通过这个描述符来描述描述了一个特定的段（如用户代码段）的段基地址，段的最大偏移，段的所有存取权限等（“描述符”的名字由此而来）。32位偏移部分就是对这个段的偏移。这样就由这个虚拟地址惟一地确定了一个32位的线性地址。看下面的图帮助理解：

其中的GDTR为系统寄存器，存放着GDT的基地址（物理地址），同样有个LDTR系统寄存器，正是由于他们我们才能找到内存中的GDT。当TI=0时选择GDT，TI=1时为LDT。

段机制将虚拟地址转换成了线性地址，下面就交给了分页机制，通过分页机制才最终将其转换成了物理地址。

每一个线性地址被分成3个部分（相对于两级分页机制来说），其中前两部分各占10位分别用来作为也目录和页表的索引，最后一个部分占12位，最为一个页帧的索引。页目录、页表都存在于内存中，由系统寄存器CR3保存页目录的基地址。转换过程图如下：

先通过页面索引找到页目录项，然后再从页目录项中找到与其对应的页表（存储物理页地址的一个表），再由页表索引找到页表项（即物理页地址），最后通过页里偏移找到真正的物理地址。到这里就完成了上述地址间的转换。