邏輯地址、線性地址、物理地址

1、基本概念

1）物理地址(physical address)
     用於內存芯片級的單元尋址，與處理器和CPU鏈接的地址總線相對應。
2）邏輯地址(logical address)
     Intel爲了兼容，將遠古時代的段式內存管理方式保留了下來。邏輯地址指的是機器語言指令中，用來指

     定一個操做數或者是一條指令的地址。

3）線性地址(linear address)

     總的來講，CPU將一個虛擬內存空間中的地址轉換爲物理地址，須要進行兩步：

     首先將給定一個邏輯地址，CPU要利用其段式內存管理單元，先將爲個邏輯地址轉換成一個線性地

     址，  再利用其頁式內存管理單元，轉換爲最終物理地址。

2、邏輯地址—>線性地址—段式內存管理

     一個邏輯地址由兩部份組成：段標識符: 段內偏移量。段標識符是由一個16位長的字段組成，稱爲段選擇符。其中前13位是一個索引號。後面3位包含一些硬件細節。

索引號，即段描述符表索引。段選擇符的前13位，經過索引能夠在段描述符表中找到一個具體的段描述符，這個描述符描述了某個段的相關信息：

 

Intel設計的本意是，一些全局的段描述符，就放在「全局段描述符表(GDT)」中，一些局部的，例如每一個進程本身的，就放在所謂的「局部段描述符表(LDT)」中。那究竟何時該用GDT，何時該用LDT呢？這是由段選擇符中的T1字段表示的：

（1）爲0，表示用GDT

（2）爲1，表示用LDT
GDT在內存中的地址和大小存放在CPU的gdtr控制寄存器中，而LDT則在ldtr寄存器中。

 

給定一個完整的邏輯地址[段選擇符：段內偏移地址]
1>看段選擇符的T1=0仍是1，知道當前要轉換是GDT中的段，仍是LDT中的段，再根據相應寄存器，獲得其地址和大小。咱們就有了一個數組了。
2>拿出段選擇符中前13位，能夠在這個數組中，查找到對應的段描述符，這樣，它了Base，即基地址就知道了。
3>把Base + offset，就是要轉換的線性地址了。

 

3、Linux段式管理

include/asm-i386/segment.h

 

#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS        14

#define __USER_CS (GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS * 8 + 3)

 

#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS        15

#define __USER_DS (GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS * 8 + 3)

 

#define GDT_ENTRY_KERNEL_BASE        12

 

#define GDT_ENTRY_KERNEL_CS                (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 0)

#define __KERNEL_CS (GDT_ENTRY_KERNEL_CS * 8)

 

#define GDT_ENTRY_KERNEL_DS                (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 1)

#define __KERNEL_DS (GDT_ENTRY_KERNEL_DS * 8)

 

 

 

把其中的宏替換成數值，則爲：

 

1 #define __USER_CS 115        [00000000 1110  0  11]
2 
3 #define __USER_DS 123        [00000000 1111  0  11]
4 
5 #define __KERNEL_CS 96       [00000000 1100  0  00]
6 
7 #define __KERNEL_DS 104      [00000000 1101  0  00]

 

 

 

方括號後是這四個段選擇符的16位二製表示，它們的索引號和T1字段值也能夠算出來了

__USER_CS             index= 14   T1=0

__USER_DS             index= 15   T1=0

__KERNEL_CS           index= 12   T1=0

__KERNEL_DS           index= 13   T1=0

T1均爲0，則表示都使用了GDT，再來看初始化GDT的內容中相應的12-15項(arch/i386/head.S)：

.quad 0x00cf9a000000ffff        /* 0x60 kernel 4GB code at 0x00000000 */

.quad 0x00cf92000000ffff        /* 0x68 kernel 4GB data at 0x00000000 */

.quad 0x00cffa000000ffff        /* 0x73 user 4GB code at 0x00000000 */     

.quad 0x00cff2000000ffff        /* 0x7b user 4GB data at 0x00000000 */

根據段描述符各字段展開，發現16-31位全爲0，即四個段的基地址全爲0。
因而，給定一個段內偏移地址，按照前面轉換公式，0 + 段內偏移==>爲線性地址，能夠得出重要的結論：

在Linux下，邏輯地址與線性地址老是一致的，即邏輯地址的偏移量字段的值與線性地址的值老是相同的。

 

4、CPU的頁式內存管理

    CPU的頁式內存管理單元，負責把一個線性地址，最終翻譯爲一個物理地址。

    從管理和效率的角度出發，線性地址被分爲以固定長度爲單位的組，稱爲頁(page)，例如一個32位的機器，線性地址最大可爲4G，能夠用4KB爲一個頁來劃分，這頁，整個線性地址就被劃分爲一個tatol_page[2^20]的大數組，共有2的20個次方個頁。這個大數組咱們稱之爲頁目錄。目錄中的每個目錄項，就是一個地址——對應的頁的地址。

     另外一類「頁」，咱們稱之爲物理頁，或者是頁框、頁楨的。是分頁單元把全部的物理內存也劃分爲固定長度的管理單位，它的長度通常與內存頁是一一對應的。

這裏注意到，這個total_page數組有2^20個成員，每一個成員是一個地址（32位機，一個地址也就是4字節），那麼要單單要表示這麼一個數組，就要佔去4MB的內存空間。爲了節省空間，引入了一個二級管理模式的機器來組織分頁單元

 

一、分頁單元中，頁目錄是惟一的，它的地址放在CPU的cr3寄存器中，是進行地址轉換的開始點。
二、每個活動的進程，由於都有其獨立的對應的虛似內存，那麼它也對應了一個獨立的頁目錄地址。

三、每個32位的線性地址被劃分爲三部分，頁目錄索引(10位)：頁表索引(10位)：偏移(12位)
依據如下步驟進行轉換：
一、從cr3中取出進程的頁目錄地址（操做系統負責在調度進程的時候，把這個地址裝入對應寄存器）；
二、根據線性地址前十位，在數組中，找到對應的索引項，由於引入了二級管理模式，頁目錄中的項，再也不是頁的地址，而是一個頁表的地址。真正

    的頁的地址被放到頁表中去了。

三、根據線性地址的中間十位，在頁表（也是數組）中找到頁的起始地址；
四、將頁的起始地址與線性地址中最後12位相加，獲得最終的物理地址；