再谈计算机内存访问之1：内存管理概述

转自：计算机内存访问，清华出版社

1. 引言

      要成为一个程序编写高手，不仅需要熟悉各种计算机语言，而且还需要懂得计算机是如何工作的。虽然不必对计算机的各个部件了解得十分清楚，但至少需要懂得计算机操作系统对内存是如何管理的。只有这样，才能编写出计算机内核级的程序来。本书的以后章节会涉及到内存管理的一些操作函数，因此，有必要先介绍这方面的内容。其实，有关计算机内存管理的书籍已经很多了，为了加深读者对这些内存管理函数使用方法的进一步认识，这里重复谈论此话题。
计算机是由各种电子器件组成的，其核心部分是中央处理器，它的英文名字叫CPU，也常被称为微处理器。微处理器有各种各样的型号，如80386、80486、80586（Pentium, 这个词是“第五代”的意思）和80686（Pentium 2）等。通常可以通过向CPU送出指令对计算机内存进行访问。
在计算机硬件发展的同时，PC计算机的操作系统也在不断更新。20世纪90年代以前，个人电脑的操作系统是DOS，此后Windows操作系统逐步成为主导。DOS和Windows操作系统对计算机内存管理的方式不同，前者主要采用实模式管理，而后者主要采用保护模式管理。本章首先介绍保护模式下的分页机制，然后介绍如何进行内存访问的操作。

2  内存管理概述

      内存管理是操作系统最重要的一部分，它决定了操作系统的性能。为了说明如何进行内存访问的操作，有必要先介绍有关内存管理的一些术语及背景。

2.1  虚拟内存

      所谓虚拟内存就是用硬盘空间来弥补计算机物理内存不足的技术。Windows操作系统用虚拟内存来动态管理运行时的交换文件。为了提供比实际物理内存还多的内存容量，Windows操作系统占用了硬盘上的一部分空间作为虚拟内存。当CPU有要求时，首先会读取内存中的资料。当内存容量不够用时，Windows就会将需要暂时存储的数据写入硬盘。所以，计算机的内存大小等于实际物理内存容量加上“分页文件”（就是交换文件）的大小。Windows 98中分页文件名采用Win386.swp形式，而Windows 2K/XP/2003中采用pagefile.sys，默认位于系统分区的根目录下，具有隐藏属性。如果需要的话，“分页文件”会动用硬盘上所有可以使用的空间。

安装好Windows以后，系统采用默认的设置自动处理虚拟内存，为了优化系统的  工作性能，根据Windows操作系统中虚拟内存的设置方法，可以自己动手设置内存管理参数。

2.2  CPU工作模式

      计算机系统有不同的工作模式，在不同的模式下，CPU的寻址方式是不一样的，通常见到的CPU工作模式如下所述。

2.2.1．实模式

      实模式是为了Pentium处理器与8086／8088兼容而设置的。8086和8088只能工作于实模式，而80286及以上的处理器可工作于实模式或者保护模式下。实模式操作方式只允许微处理器寻址第一个1MB的存储空间，从0x00000～0xFFFFF。在实模式下的存储器寻址是段地址＋偏移地址。例如段寄存器的内容是0x1000，则它寻址开始于0x10000的段，偏移量大小从0x0000～0xFFFF，即偏移量的空间大小是216=64KB。

2.2.2．保护地址模式

      保护地址模式又称为虚拟地址存储管理方式。保护模式下主要有两种特征。
（1）内存分段管理
      在保护模式下，各个16位的段寄存器里面放置的是选择符。各项任务共享的内存空间由全局选择符来索引；而某个任务独立使用的内存空间由局部选择符来索引。由选择符的高13位作为偏移量，再以CPU内部事先初始化好的GDTR（全局描述符表寄存器）中的32位基地址为基，可以获得相应的描述符。由描述符中的线性地址决定段的基地址。再利用指令（或其他方式）给出的偏移量，便可以得到线性地址，即
线性地址=段线性基地址+偏移量
      保护模式采用上面介绍的分段管理，可以实现的存储器寻址范围为4GB，通常把通过段变换获得的地址称为线性地址。这种线性地址是同32位物理地址对应的，为了获得更大的寻址范围，还可以对线性地址实行分页管理。在保护模式下，处理器通过CRO控制寄存器的PG（page）位进行管理，当PG=0时，由段变换获得的线性地址可直接作为物理地址使用；若PG=1，则进一步进行页变换。
（2）内存分页管理

      分页管理的基本思想是将内存分为大小固定为4KB或者1MB的若干页，通过一定机制对内存进行管理。与前面的分段管理类似，程序或数据将根据其长度分配若干页。为了进行页面管理，在分页管理机制中采用了页表、页目录对线性地址作页变换。

2.3  逻辑、线性和物理地址

      在保护地址模式下，经常遇到三种地址：逻辑地址（Logical Address）、线性地址（Linear Address）和物理地址（Physical Address）。CPU通过分段机制将逻辑地址转换为线性地址，再通过分页机制将线性地址转换为物理地址。
（1）逻辑地址
      这是内存地址的精确描述，通常表示为十六进制：xxxx:YYYYYYYY，这里xxxx为selector（选择器），而YYYYYYYY是针对selector所选择的段地址的线性偏移量。除了指定xxxx的具体数值外，还可使用具体的段寄存器的名字来替代，如CS（代码段），DS（数据段），ES（扩展段），FS（附加数据段#1），GS（附加数据段#2）和SS（堆栈段）。这些符号都来自旧的“段：偏移量”风格，在 8086 实模式下使用此种方式来指定“far pointers”（远指针）。
（2）线性地址
      线性地址是逻辑地址到物理地址变换之间的中间层，是处理器可寻址的内存空间（称为线性地址空间）中的地址。程序代码会产生逻辑地址，或者说是段中的偏移地址，加上相应段的基地址就生成了一个线性地址。
如果启用了分页机制，那么线性地址可以再经变换以产生一个物理地址。若没有启用分页机制，那么线性地址直接就是物理地址。不过，在开启分页功能之后，一个线性地址可能没有相对映的物理地址，因为它所对应的内存可能被交换到硬盘中。32位线性地址可用于定位4GB存储单元。
（3）物理地址

      所谓物理地址，就是指系统内存的真正地址。对于32 位的操作系统，它的范围为0x00000000～0xFFFFFFFF，共有4GB。只有当CPU工作于分页模式时，此种类型的地址才会变得非常“有趣”。本质上，一个物理地址是CPU插脚上可测量的电压。操作系统通过设立页表将线性地址映射为物理地址。Windows 2K/XP所用页表布局的某些属性对于调试软件开发人员非常有用。

2.4  存储器分页管理机制

      程序代码和数据必须驻留在内存中才能得以运行，然而系统内存量很有限，往往不能容纳一个完整程序的所有代码和数据，特别是在多任务系统中，如Windows，可能需要同时打开多个执行程序，如画图程序，浏览器等，想让内存驻留所有这些程序显然不大可能，因此首先能想到的就是将程序分割成小部分，只让当前系统运行它所有需要的那部分留在内存，其他部分都留在硬盘（虚拟内存）。当系统处理完当前任务片段后，再从外存中调入下一个待运行的任务片段。于是，存储器分页管理机制随之而被发明。
如前所述，在保护模式下，控制寄存器CR0中的最高位PG位控制分页管理机制是否生效。如果PG=1，分页机制生效，把线性地址转换为物理地址。如果PG=0，分页机制无效，线性地址就直接作为物理地址。必须注意，只有在保护方式下分页机制才可能生效。只有在保证使PE位为1的前提下，才能够使PG位为1，否则将引起通用保护     故障。

分页机制把线性地址空间和物理地址空间分别划分为大小相同的块。这样的块称为页。通过在线性地址空间的页与物理地址空间的页之间建立映射，分页机制可以实现线性地址到物理地址的转换。线性地址空间的页与物理地址空间的页之间的映射可根据需要来确定。线性地址空间的任何一页，可以映射为物理地址空间中的任何一页。

2.5  线性地址到物理地址的转换

      线性地址空间的页到物理地址空间的页之间的映射用表来描述。目前所见到的有4KB和1MB大小的物理分页，对于4KB页面的分页，线性地址到物理地址的转换过程如图所示。对于1MB页面分页，线性地址到物理地址的转换与4KB的基本相似，不同的是线性地址的低22位对应一个物理页面。

对于4KB页面的线性地址到物理地址的转换示意图

        对于4KB页面分页，页映射表的第一级称为页目录表，存储在一个物理页中。页目录表共有1024个页目录项（PDE，page directory entry），其中，每个PDE为4字节长，包含对应第二级表所在物理地址空间页的页码。页映射表的第二级称为页表，每张页表也被存储在一个物理页中。每张页表有1024个页表项（PTE，page table entry），每个PTE为4字节长，其中PTE的低12位用来存放诸如“页是否存在于内存”或“页的权限”等信息。

      一个线性地址大小为4个字节（32bit），包含着找到物理地址的信息，分为3个部分：第22位到第31位这10位（最高10位）是页目录中的索引，第12位到第21位这10位是页表中的索引，第0位到第11位这12位（低12位）是页内偏移。在把一个线性地址转换成物理地址时，CPU首先根据CR3中的值，找到页目录所在的物理页。然后根据线性地址的第22位到第31位这10位（最高的10bit）的值作为索引，找到相应的PDE，其中含有这个虚拟地址所对应页表的物理地址。有了页表的物理地址，再把虚拟地址的第12位到第21位这10位的值作为索引，找到该页表中相应的PTE，其中就有这个虚拟地址所对应物理页的物理地址。最后用线性地址的最低12位，也就是页内偏移，加上这个物理页的物理地址，就得到了该线性地址所对应的物理地址。