linux中为什么要有分段和分页机制

linux中为什么要有分段和分页机制

 

首先讲述linux系统上的实模式和保护模式是指什么。为什么要分实模式和保护模式呢？他们当中有什么区别呢？

 

首先实模式和保护模式是CPU的两种工作模式。一开始PC启动时CPU是工作在实模式下的，经过某种机制后，CPU跳转到保护模式。其访问空间扩大了，要想从保护模式返回到实模式就只能重启。

Intel 8086是16位CPU，它只有16位寄存器、16位数据总线和20位地址总线，它只能运行在实模式

在实模式，

物理地址=段值*16+偏移 

段值和偏移都是16位的 具有1MB（2^16 * 2^4 + offset）的寻址能力。
 

而从80386开始CPU有32位地址线，所以寻址空间可以达到4GB。单从寻址这方面说，使用16位寄存器的方法已经不够用了，必须要开发一种新方法。在保护模式下，虽然CPU还是使用原来16位的cs、ds寄存器表示内存地址的段值，不过保护模式下的段值只是一个索引，这个索引指向一个数据结构的一个表项就是GDT(or LDT)。

在保护模式下，CPU有着巨大的寻址能力，并为强大的32位操作系统提供了更好的硬件保障。

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所以实模式和保护模式其实就是随着CPU性能不断增强后为了前后能够兼容而设计出来的一套模式。是一个历史遗留产物。

其实CPU的工作模式还有一种虚拟X86模式虚拟X86可以与保护模式相互转换且从虚拟模式只能通过复位信号到实模式。

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为什么要分段？

分段的引入主要扩大了内存地址，程序的地址不再需要原始的硬编码，程序的调试也更简便。

当x86 CPU 工作在保护模式时，可以使用全部32根地址线访问4GB的内存，因为80386的所有通用寄存器都是32位的，所以用任何一个通用寄存器来间接寻址，不用分段就可以访问4G空间中任意的内存地址。但这并不意味着，此时段寄存器就不再有用了。实际上，段寄存器更加有用了，虽然再寻址上没有分段的限制了，但在保护模式下，一个地址空间是否可以被写入，可以被多少优先级的代码写入，是不是允许执行等等涉及保护的问题就出来了。要解决这些问题，必须对一个地址空间定义一些安全上的属性。

 

段寄存器这时就派上了用场。但是设计属性和保护模式下段的参数，要表示的信息太多了，要用64位长的数据才能表示。我们把着64位的属性数据叫做段描述符，上面说过，它包含3个变量：段物理首地址、段界限、段属性 80386的段寄存器是16位（注意：通用寄存器在保护模式下都是32位，但段寄存器没有被改变）的，无法放下保护模式下64位的段描述符。

如何解决这个问题呢？方法是把所有段的段描述符顺序存放在内存中的指定位置，组成一个段描述符表（Descriptor Table）；而段寄存器中的16位用来做索引信息，这时，段寄存器中的信息不再是段地址了，而是段选择子（Selector）。可以通过它在段描述符表中“选择”一个项目已得到段的全部信息。那么段描述符表存放在哪里呢？80386引入了两个新的寄存器来管理段描述符，就是GDT和LDT。这样，用以下几步来总体体验下保护模式下寻址的机制

 

1、段寄存器中存放段选择子Selector 

2、GDT中存放着段描述符表的首地址 

3、通过选择子根据GDT中的首地址，就能找到对应的段描述符 

4、段描述符中有段的物理首地址，就得到段在内存中的首地址 

5、加上偏移量，就找到在这个段中存放的数据的线性地址（只有分段机制情况下，就是真实物理地址）。 

 

接上面所述，GDT的作用就是用来提供段式存储机制，这种机制是通过段寄存器和GDT中的描述符共同提供的。

因为要能够访问4GB内存，所以在32位模式下

物理地址不能等于 段值*16+偏移 (这种方法寻址1MB)

于是，设计者让

段值*16指向一个数据结构的一个表项就是GDT(or LDT)，表项中详细定义了段的起始地址，界限和属性等内容 

于是原先“段：偏移”形式的逻辑地址经过段机制转化成线性地址

如果只有分段机制，那么这个地址就是对应的真实内存的物理地址。

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为什么要分页？

其实它的主要目的在于实现虚拟存储器。

 

接上面所述，刚刚说到线性地址，并且说如果只有分段机制，线性地址就是物理地址

分段和分页是通过内存控制单元（MMU）进行的。分段使得逻辑地址转换为线性地址，而分页使得线性地址转换为物理地址。

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在分页中，为了效率起见，将线性地址分成固定长度，称为页，与页长度一致的是页框（物理页）。每个页框包含一个页。

把线性地址映射到物理地址的数据结构称为页表。页表存放在主存之中，并在启用分页之前由内核对其进行初始化。

 

另外，如果你写完一个程序后，复制了一份，然后同时调试。你会发现，从变量地址到寄存器的值，这两个程序几乎全部是都是一样的，而这些一样的地址之间完全不会被混淆，而是各自完成自己的职责，这也是分页机制的功劳。

另外，因为分页机制的存在，程序使用的都是线性地址空间，而不再直接是物理地址。这好像是操作系统位应用程序提供了一个不依赖于硬件（物理内存）的平台，应用程序不必关心实际上有多少物理内存，也不必关心正在使用的是哪一段内存，甚至不必关心某一个地址是在物理内存里面还是在硬盘中。只要像操作系统申请就行，而操作系统全权负责了这其中的转换工作。

 原文：http://www.2cto.com/os/201210/161572.html