从硬件了解寻址

学习Linux内核，内存管理是必学的，但是和自己以前设计译码电路的寻址完全不同，所以对抽象后地址映射不能很好地理解，虽然很多书都有介绍，但是领悟的还是有缺陷。所以这次以Intel微处理器为例子去了解硬件是怎么寻址的，然后在转到Linux系统怎么抽象的。80x86常见的工作模式有，实模式和保护模式。先来看实模式，它的操作空间<=1MB。所以这个时候段寄存器里面存放的是16位的段地址。然后段地址会和偏移地址运算后（短地址X10H+偏移地址）来读取对应的存储单元。段寄存器内的段地址时任何一个大小为64KB（2^16B=64KB）的存储器段的起始地址，偏移地址用来精确的读取该存储器段内的任一单元。这里有一个存储器区域叫做高端存储器，大小为64KB，因为地址范围（0FFFF0H~10FFEFH）在1MB的最顶端，所以叫做高端存储器。自己的思维是，如果一段内存区域已经被分配，那么它就已经固定了，不会再变动，一直到它被释放。但实际上，段地址和偏移地址允许重定位，这样的好处是，在实模式下运行的程序可以在保护模式下运行。可重定位程序是一个可以放入存储器的任何区域，且不需要修改而仍能执行的程序。可重定位数据是可以放在存储器的任何区域，且不需要修改就可以被程序引用的数据。另外需要注意的是，存储器段是可以相连或不相连的，也可以是重叠的。到这儿，应该能看出段不是怪性思维中固定且有序的，它们会根据存储器的实际情况做出改变。希望你忘了上边的再看下边的，要不然会乱的。接下来是保护模式下的存储器寻址，它的操作空间在>1MB。这个时候的段寄存器已经变了，它里面存放的是叫做选择子，以及两个标志（TI、RPL）。另外还有一个专业术语叫描述符表，它其实也就是一块存储区，里面放的是每个存储段的首地址以及他的大小。所以，这个时候，段寄存器会根据TI来选择实在全局描述符表还是局部描述符表查找选择子中对应的值，这个值说白来才是真正存储段所要的段首地址值。但是保护模式下通过段最后得到的地址并不是实际的物理地址，因为它是根据程序产生的地址，叫做线性地址。这东西吧，又被人分成了3部分，最高10位页目录地址，最低12位偏移量，中间的10位页表地址。所以，这又联系到了页，根据偏移地址（2^12=4KB）知道一个页4KB。然后页目录回合一个名字叫做CR3的寄存器（这个寄存器的专职工作就是保存一个地址值）进行运算，得出在页目录表中的对应位置，取出，然后在页表进行运算，取出对应于页表中的值，接下来在和偏移量运算，得到最终的物理地址。运算过程是，（M<<2+N）线性地址中的页目录和页表左偏移两位相加对应的存储器中的数，(M+N)偏移量直接加不左移。到这，硬件上的寻址就结束了，下来要做的就是去看操作系统中的代码是如何抽象这些东西的，呵呵。