地址映射

1.三种地址（逻辑地址，线性地址，物理地址）

逻辑地址：即逻辑上的地址，实模式下由“段基地址+段内偏移”组成；保护模式下由“段选择符+段内偏移”组成。

线性地址：逻辑地址经分段机制后就成线性地址；如果不启用分页，那么此线性地址和物理地址相同。

物理地址：线性地址经分页转换后就成了物理地址。

 

2.最早期的CPU--》8086(只有一种工作方式：实模式)

而且地址总线为20位。实模式下所有寄存器都是16位。

从80286开始就有了保护模式，从80386开始CPU地址总线为32位。但是为了兼容以前的，所以保留了实模式。

 

实模式和保护模式的区别：

   保护模式同实模式的根本区别是进程内存受保护与否。可寻址空间的区别只是这一原因的果。实模式将整个物理内存看成分段的区域,程序代码和数据位于不同区域，系统程序和用户程序没有区别对待，而且每一个指针都是指向"实在"的物理地址。这样一来，用户程序的一个指针如果指向了系统程序区域或其他用户程序区域，并改变了值，那么对于这个被修改的系统程序或用户程序，其后果就很可能是灾难性的。为了克服这种低劣的内存管理方式，处理器厂商开发出保护模式。这样，物理内存地址不能直接被程序访问，程序内部的地址（虚拟地址）要由操作系统转化为物理地址去访问，程序对此一无所知。

 

实模式：

CPU-->8086：

（CS寄存器中存的是段基地址）

一次可以处理的位数---》ALU一次处理的位数  16位---》2^16＝64KB

地址总线是20位--》2^20=1MB(说明实模式下CPU的最大寻址能力是1MB)

此时寄存器都是16位。

既然有1MB的寻址能力，如何用16位的寄存器去表示？这就引出了分段的概念。

8086 CPU将1MB存储空间分成许多逻辑段，每个段最大限长为64KB（但不一定就是64KB）。这样每个存储单元就可以用“段基地址+段内偏移地址”表示。段基地址由16位段寄存器值左移4位表达，段内偏移表示相对于某个段起始位置的偏移量。

 

保护模式：

CPU-->80386：（在不启用分页机制情况下，此线性地址就是物理地址）

为了兼容，所以还需要分段

（还是需要CS和DS两个16位的寄存器）

将CS一分：13位+1位+2位

ALU-->32位

总线-->32位

在定义“逻辑地址”时看到保护模式和实模式的区别在于它是用段选择符而非段基地址。

 

段选择符：

 

   （1）进行索引，索引值为13位

   （2）TI是用来指明GDT(TI=0)还是LDT(TI=1)，为2位

   （3）RPL表示的是权限，共有4个等级，0位最高，为1位（内核为最高的0级，用户为最低的3级）

  所以从这里看出，在保护模式下最多可以表示2^13=8192个段描述符，而TI又分GDT和LDT（如图3所示），所以一共可以表示8192*2=16384个段描述符，每个段描述符可以指定一个具体的段信息，所以一共可以表示16384个段。而图1看出，段内偏移地址为32位值，所以一个段最大可达4GB，这样16384*4GB＝64TB，这就是所谓的64TB最大寻址能力。

 

 

eg：段选择符为0000 1000

 一般只用（GDT：全局描述符表 ---->  GDTR是寄存器，用于存放GDT的地址）

           GDT每一项为8字节）

 一般不用（LDT：局部描述符表）

(段描述符表是从0开始编号的)

如上图所示：找到此二进制所表示的十进制数（==8），所以为GDT表中的第二个。

 

段选择符指向的段描述符里有三个部分基地址信息，这三部分组成一个32位地址就决定了段基地址位置，此地址再加上段内偏移最终确定线性地址位置。

 

线性地址如果不启用分页，那么此处的线性地址就是物理地址。

 

分页机制：它把物理内存分成相同固定大小的页面，2^12=4KB。每个页面的0~4KB范围由线性地址的低12位表示，线性地址空间的高10位用来指定页目录中的位置，可以选择2^10=1024个目录项，每个目录项为四字节，所以页目录为1024*4B=4KB。每个目录项中的高20位用以查找页表在物理内存中的页面，每个页表含1024个页表项，每个页表项也是四字节，这样一页表也是1024*4B=4KB。所以一个页目录可以查找1024个页表，每个页表为4KB，所以总共可以查找的页表大小为1024*4KB＝4MB大。最后每个页表项的高20位用以定位物理地址空间中的某个页基地址，此地址再加上线性地址空间的偏移值就是最后物理内存空间单元。

（页目录是唯一的，它的地址存放在CR3的寄存器中。）

具体转换如下：

1、从cr3中取出进程的页目录地址（操作系统负责在调度进程的时候，把这个地址装入对应寄存器）；

2、根据线性地址前十位，找到对应的索引项，页目录中的项，是一个页表的地址。页的地址被放到页表中去了。

3、根据线性地址的中间十位，在页表（也是数组）中找到页的起始地址；

4、将页的起始地址与线性地址中最后12位相加，得到最终我们想要的物理地址；

 

 

 

总的来说整个过就是逻辑地址经分段机制变成线性地址，如果不启用分页的情况下，此线性地址就是物理地址；如果启用分页，那么线性地址经分页机制变成物理地址。