物理地址、线性地址、虚拟地址(1)

本文深入解析了物理地址、线性地址和虚拟地址的概念,并详细介绍了如何通过分段机制和分页部件实现虚拟地址到物理地址的映射过程。

                                    物理地址、线性地址、虚拟地址

OS充分挖掘硬件潜能。

    OS开发者需要知道物理内存的地址也需要提供一套机制为应用程序员提供另一个内存空间,这个内存空间的大小可以和实际的物理内存大小之间没有关系。

 

物理地址:物理内存条所提供的内存空间,每个内存单元的实际地址就是物理地址。

线性地址:一段连续的、不分段的范围从0到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。

虚拟地址:应用程序员看到的内存空间,其中的地址就是虚拟地址,一般用段:偏移量的形式来描述。

 

mov ax,[1024];

        实模式下,把某一个寄存器左移四位然后与16位偏移量[1024]相加。相加后的结果就是物理地址而1024就是虚拟地址。

        在保护模式下就不是了,保护模式下需要一个MMU(内存管理单元)硬件,MMU的功能是将虚拟地址映射为物理地址。MMU是一个硬件电路包含两部分,分段部件和分页部件。分段机制把一个虚拟地址映射为线性地址,而分页部件将线性地址映射为物理地址。

分段机制

        程序中的虚拟地址表示为选择符:偏移量这样的形式。

        把一个虚拟地址转化为线性地址的步骤:

(1)在段寄存器中装入段选择符,同时把32位地址的偏移量装入某个寄存器。

(2)根据段选择符中的索引值,TI值RPL值,再根据相应描述符中的段地址和段界线,进行一系列合法性检查如果该段无问题就取出相应的描述符放入段描述符高速缓冲寄存器中。

(3)将段描述符中的32位段地址和放在寄存器中32位有效地址相加就形成32位线性地址。

对段进行保护从两个方面:

(1)如果偏移量大于段界线,虚拟地址将没有意义,系统产生保护异常。

(2)如果要对一个段进行访问,系统会根据段的保护属性检查访问者是否具有访问权限。如果没有则产生异常。

        为了实现虚拟地址到线性地址的映射需要一个数据结构来描述段,这个数据结构就是段描述赋,它里面包含三部分:1.短的基地值(在线性地址中间段的起始地址)2.短的界线(在虚拟地址空间中,段内可以使用的最大偏移量)3.段的保护属性(表示段的特性,比如段是否可被读出或者写入,或者该段是否最为一个程序来执行以及段的特权及等)

        段描述赋组成的表叫段表,其中的表项就是段描述符。段描述符就是描述段属性的一个8字节的存储单元。一个段描述符中有32位段基地值和20位段界线等等一些其他的段的属性。

        在保护模式下,有三种类型的描述符表。全局描述符表(GDT)/中断描述符表(IDT)/局部描述符表(LDT)。为了加快对描述符表的访问专门设计了专门的寄存器GDTR/LDTR/IDTR以存放表的基地值及表的长度界线。

        在保护模式下段寄存器中存放的是段描述符表的索引。索引表示的是段描述符在段描述符表中的位置,把段寄存器也叫选择符。选择符(即段寄存器)由三个域,第一个是索引域,第二个是TI为选择域,决定从全局描述符表还是局部描述符表中选择相应的段描述符。第三个域是RPL域决定请求者的特权及,一般是用户太和内核太两种。

 

 

 

 

### 逻辑地址线性地址虚拟地址物理地址的区别 #### 逻辑地址 逻辑地址也被称为有效地址或段内偏移地址,在任何CPU模式下都存在。它由程序产生的相对某个段寄存器的偏移量构成。例如,在实模式下的汇编指令 `mov ax, [0x7c00]` 中,`0x7c00` 就是一个逻辑地址[^3]。 #### 线性地址 当启用了分页机制时,线性地址作为从逻辑地址转换至物理地址过程中的过渡形式出现;而在未启用分页的情况下,则直接充当物理地址的角色。具体来说,线性地址是由逻辑地址(即段内的偏移地址)加上相应的段基址计算得出的结果。对于支持此特性的处理器架构而言,比如 Intel 80386 处理器家族成员所定义的最大可寻址范围可达4GB (2^32)[^2]。 #### 虚拟地址 在现代操作系统中广泛采用的一种抽象概念——虚拟地址实际上指的是应用程序视角下的线性地址。这意味着每个独立执行单元(如进程)都被赋予了一套统一而连续的地址区间供其自由支配,即使这些区域可能映射到了不相邻甚至散布于整个系统的不同部分的真实存储资源上。因此,借助这种间接层次的设计理念,软件开发者可以更加方便地编写代码而不必关心底层硬件细节[^4]。 #### 物理地址 最终被用来真正定位RAM芯片内部特定字节位置的信息便是所谓的物理地址。它是经过一系列复杂的变换流程之后得到的实际可用数值,用于指示具体的内存单元所在之处。只有在这个阶段,计算机才能确切知道要读取或写入的数据究竟位于哪里[^1]。 ```cpp // 示例:展示如何获取当前平台上的页面大小 #include <unistd.h> longpagesize=getpagesize(); printf("Page size:%ld\n",pagesize); ```
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值