x86/64-物理地址、虚拟地址、线性地址、逻辑地址

先说结论：

这几种地址间的关系：

• 逻辑地址经过分段单元转换成线性地址。线性地址通过分页单元转换成物理地址。
• 虚拟地址是软件（内核和应用程序）使用的地址，它等于逻辑地址中的段偏移。
• 段基址（base address） + 段偏移(offset) = 线性地址。Linux不适用分段管理模型，所有的段基址都是0x00000000。所以0 + 段偏移 = 线性地址，所以Linux中虚拟地址=线性地址。

接下来我们挨个讲解每种地址。

1. 物理地址

参考：Intel® 64 and IA-32 Architectures.pdf Page 70: Volume 1: 3.3 MEMORY ORGANIZATION

定义：CPU给系统上所有的存储空间（内存、显存、IO设备的存储等等）编了地址，编号从0开始一直到可用物理内存的最高端。叫物理地址。CPU就用这个地址，通过地址总线访问系统中的内存。

两种物理地址编址方式：

• 独立编址：物理地址 = 内存， IO空间有独立的IO地址。CPU通过IN、OUT指令+IO地址访问IO的寄存器和存储空间
• 统一编制：物理地址 = 内存 + IO空间。CPU通过物理地址像访问内存一样访问IO空间。

三种物理地址管理模型：

1. Flat Model（Linux用的这一种）
2. Segmented Model：分段模式的主要优势是提高可靠性，内核内存和app内存可以安置在不同的segment。
3. Real-Address Mode Model：实地址模式主要为了兼容Intel 8086处理器，把线性的物理地址平等的分成size相同的segment。

2. 线性地址

• 分段模式下，逻辑地址经过段分段单元处理后得到线性地址。
• 如果启用了分页机制，那么线性地址可以再经过变换产生物理地址。若是没有采用分页机制，那么线性地址就是物理地址。
• 段基址+offset =线性地址
• 线性地址经过分页机制转换成物理地址。

3. 逻辑地址

在分段模式下，逻辑地址= Selector+offset 这种形式。

当程序想要通过逻辑地址访问物理内存：

1. 逻辑地址的selector填到CPU对应的段寄存器中，offset填到CPU的EIP寄存器中。

        PS:CPU有多个段寄存器（CS、DS、SS、ES等），这里以CS为例。

2. CPU根据CS（段寄存器）中的selector中的index字段，到GDT中找到第index个段描述符。

3. 解析段描述符，从段描述符里解析出段基址（每个段的起点地址）。

4. 段基址+EIP中的offset得到线性地址。

5. 线性地址通过分页机制处理后得到物理地址。

6. CPU使用物理地址通过地址总线访问物理内存。

• Linux不使用分段，所以给所有的segment基地址都填为0。
• 虚拟地址 = 逻辑地址中的offset， 0 + offset = 线性地址。所以Linux中，虚拟地址 = 线性地址
• selector 是 CS 寄存器的值，offset 是 EIP 寄存器的值。
• CS寄存器的RPL代表了当前CPU的特权级（ring 0-3）

4. 虚拟地址

虚拟地址是给代码用的。

因为Linux中不适用内存分段模式，所以给各个segment的基地址都填0.

所以在Linux中：虚拟地址=线性地址≈逻辑地址

最后附上一张分段单元和分页单元的寻址过程