Linux下的虚拟地址映射详解（一）逻辑地址到线性地址的映射

现在假设有这么一段代码：

 

void main()

{

int a = 100;

cout<<&a<<endl;

}

 

如果编译执行，先打印地址，假设是0x12345678。那么，这个地址，是逻辑地址呢，还是线性地址，亦或是物理地址呢？

 

    首先我们需要引入一些别的东西。在英特尔的X86体系下，从他的发展可以看出他是从实模式向保护模式发展的，内存管理是从分段是管理往分页式管理的。既然是一个体系，后来的东西必须要能够兼容前面的东西。就像word2007一定能够兼容word2003一样。在i386之前的操作系统里，存在着段寄存器比如CS（代码段寄存器）,DS（数据段寄存器）,SS（堆栈段寄存器）。IP（偏移量）等。

 

      来说说实模式：

    实模式依然是段式管理，存在着段寄存器和IP寄存器。32位系统的地址总线是20条，但是段寄存器是从X86体系下继承过来的，那么段寄存器的大小是16位，规定每个内存段的起始地址必须是16的倍数，那么一个段的物理内存为2^16=64K。但是20和16明显对比不上。怎么办呢？让我们来看看16的二进制写法，0010 000。也就是低4位全部为0。那么20位的低4为全部为0，剩下的高16位就能够放进去了。所以寻址方式成了这个样子：如果要寻找某个数据的内存，那么要从DS寄存器里找，DS寄存器里放的是高16位，那么得左移4位得到所在段的地址，再加上IP寄存器里的偏移量，最后获得数据的地址，也就是物理地址。如下图：

逻辑地址就是代表着内存段上的偏移量，本文最开始打印出的，就是逻辑地址。

 

此时还没有操作系统这个概念，假设你装了4G的内存，但是在你的电脑一连上电启动之前，依旧只能够访问2^20 = 1M内存。

此时的实模式没有任何的保护措施，你可以随时操纵段寄存器和IP寄存器来修改任何数据。

 

由于实模式的不安全性，我们开始思考着怎么保护内存，最后出现了保护模式。保护模式是基于32位系统的，由于使用了32位系统，原来的寄存器已经不够用了，所以又引入了新的东西比如CR,GDTR,LDTR等等。

保护模式出现以后，对于内存起始地址，内存段的大小，内存的访问权限需要有一个东西来保存。但是段寄存器依旧是16位，为了存储这些东西，我们需要采用一些描述符表来保存，这就是表地址寄存器GDTR和LGTR，全局段描述符表和局部段描述符表，里面放着表头地址。下面来讨论段寄存器和GDTR。

 

此时的段寄存器里依旧是16位，放着段选择码。选择码如图：

最低两位代表着用户态和内核态，第三位代表使用的是GDT还是LDT，前13位代表着所能够用的段描述符，2^13 = 8192。但是为什么又减了12呢？

在Linux里我们可以看到他在主函数的末尾有这么一串指令。

仔细数数，正好有12个。所以8192-12 = 8180个。这8180个就是我们能够使用的段描述符。

 

 

现在再来谈谈GDTR

GDTR存着描述符表的起始地址。GDT实际上就是一个数组，如图

通过下标找到了段描述符，段描述符是长这个样子的：

地址从L0开始B31结束。

 

B开头的记录着内存的起始地址，L开头的记录着长度，2^20 = 1M，但是我们也知道，有时候不一定是字节。G记录着L的意义，如果为0，代表长度代表字节，即1M。如果为1，那么短描述符表的长度单位就是页面，即4k。此时该描述符表能够描述4G的大小。

 

理一下思路，段寄存器DS/CS/SS里的高13位放着的是段选择码，接着从第14位确定是找GDT还是LDT，第14位为1，也就是找的GDT。从GDTR寄存器找到GDT，获得起始地址(起始地址为GDT[DS>>3].Addr)，获得起始地址之后加上IP长度，看有没有超过最大值，如果没有，就获得了线性地址。最大值是1M或者4G，具体是什么，要看G的值。这个就是逻辑地址到线性地址映射的过程