內(nèi)存管理概述（Memory Management Overview）

Inter體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)存管理可分為兩部分：分段和分頁。

• 分段提供了一種機制，這種機制可以為每個程序或者任務(wù)提供單獨的代碼、數(shù)據(jù)和棧模塊，這就保證了多個進程或者任務(wù)能夠在同一個處理器上運行而不互相干擾。
• 分頁機制提供了虛擬內(nèi)存系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，程序的執(zhí)行代碼按需要被映射到物理內(nèi)存中。分頁機制同樣可以用來隔離多個任務(wù)。
• 在保護模式下，分段機制是必須的，分頁機制是可選的

分段機制將處理器可尋址空間（即線性空間）分成若干個較小的受保護的地址空間段。段可以用來裝載程序的代碼，數(shù)據(jù)或者堆棧，也可以用來裝載系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如TSS、LDT等）。當處理器上運行多個進程時，操作系統(tǒng)為每個進程分配屬于它自己的段，同時處理器會規(guī)定這些段的邊界，保證一個進程不會對另一個進程的段進行讀寫造成干擾。

系統(tǒng)中所有的段都在處理器的線性地址空間內(nèi)，但是只有邏輯地址才能確定一個字節(jié)在特定段中的位置。所以在實際程序訪問內(nèi)存時，需要有某種機制將邏輯地址映射到線性地址。邏輯地址由段選擇符和偏移量組成。通過段選擇符，可以在全局/局部描述符表（GDT/LDT）中唯一定位一個段描述符，每個段描述符記錄一個段在線性地址空間的基地址，然后通過和偏移量相加，得到實際的線性地址。

在保護模式下，段選擇符其實就是CS寄存器，是16位的。偏移量是EIP寄存器，是32位的。上述過程其實就是將CS中16位的邏輯地址映射成32位的線性地址。

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段的使用（Using Segments）

intel架構(gòu)所使用的分段機制被用來實現(xiàn)各種不同的系統(tǒng)設(shè)計

基本平坦模型（Basic Flat Model）

• 僅僅利用分段來保護程序。操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序可以訪問一個連續(xù)的，沒有分段的地址空間，即使所訪問的地址處并沒有物理內(nèi)存時，也不會產(chǎn)生“超出內(nèi)存范圍”異常

受保護的平坦模型（Protected Flat Model）

• 和基本平坦模型類似，只是段限長被設(shè)定為實際物理內(nèi)存范圍內(nèi)，如果試圖訪問實際內(nèi)存以外的地址，會產(chǎn)生一個通用保護異常

多段模型（Multi-Segment Model）

• 充分利用了分段機制，提供了對代碼，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及程序的硬件級的強制保護。在這里，每個進程擁有自己的段描述符表及自己的段。LDT？

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邏輯地址和線性地址（Logical And Linear Address）

邏輯地址

• 相對于該進程所在段基地址的偏移地址，應(yīng)用程序直接使用的其實就是邏輯地址，而不需要關(guān)心分段分頁機制轉(zhuǎn)換的物理地址。邏輯地址由16位的段選擇符（CS）和一個32位的偏移量（EIP）組成。

線性地址

• 作為邏輯地址和物理地址轉(zhuǎn)換的一個橋接。邏輯地址是偏移量，段描述符中的地址是基地址，二者相加的結(jié)果是線性地址。線性地址是32位地址，地址空間中包含了所有的段以及為系統(tǒng)而定義的各種系統(tǒng)表

物理地址

• 實際內(nèi)存中的地址，即地址總線上的尋址。如果沒有采用分頁機制，那么線性地址就是物理地址。如果采用分頁機制，那么需要通過頁目錄和頁表轉(zhuǎn)換成物理地址。32位機器總共有32根地址總線，實際物理地址內(nèi)存空間為4GB，即2的32次方

三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下

• 通過邏輯地址中的段選擇符，在GDT或LDT中定位該段的段描述符（僅當一個新的段選擇符被讀入段寄存器時才執(zhí)行這一步？）
• 檢查段描述符中的訪問權(quán)限和段的地址范圍以確保該段是可訪問的，即偏移量在段限長范圍內(nèi)
• 將段描述符中的段基址與偏移量相加構(gòu)成線性地址
• 如果沒有采用分頁，那么線性地址就是物理地址，否則，需要根據(jù)頁目錄和也表將線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址

段選擇符
段選擇符是一個16位的段標識符，它并不直接指向該段，而是指向定義該段的段描述符。段選擇符其實就是CS : EIP中的CS。一個段選擇符包含一下項目

• Index索引，在3-15位。標識對應(yīng)的段描述符在GDT/LDT中的索引，尋址時索引 * 8 + GDT/LDT的基地址就可以找到對應(yīng)的段描述符
• TI標記，在第2位。用于標識使用哪一個描述符表，0表示GDT，1表示LDT
• RPL請求的特權(quán)級，在0-1位。確定該選擇符的特權(quán)級。特權(quán)級從0-3，0為最高特權(quán)級（內(nèi)核），3為最低特權(quán)級（用戶）

段描述符
段描述符是一個64位的段標識符，占8個字節(jié)，位于GDT/LDT中，其中的標志和字段如下

• 段限長字段，指定了段的大小。
• 基地址域，該描述符指向的段內(nèi)存的基地址
• 類型域，指明段或者門的類型，確定段的范圍權(quán)限和增長方向
• S（描述符類型）標志，確定段描述符是系統(tǒng)描述符或者代碼（S標記為0時），數(shù)據(jù)段標識符（S標記為1時）
• DPL（描述符特權(quán)級）域，指明該段的特權(quán)級，特權(quán)級從0-3。0為最高特權(quán)級，DPL用來控制對該段的訪問
• P（段存在）標志，指出該段是否在內(nèi)存中（1表示在內(nèi)存中，0表示不在內(nèi)存中）
• D/B（默認操作數(shù)大小/默認棧指針大小/上限）標志，根據(jù)這個段描述符所指的是一個可執(zhí)行代碼段，一個向下擴展的數(shù)據(jù)段還是一個堆棧段，這個標志完成不同的功能
• G（粒度）標志，確定該段限長擴展的增量
• 可用及保留的為s

GDT中的第一項是空，不能被使用，如果使用該項訪問內(nèi)存，處理器會產(chǎn)生一個異常

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分頁機制（Paging Modes）

分頁機制提供了一種虛擬內(nèi)存環(huán)境，虛擬內(nèi)存通過一個較小的物理內(nèi)存以及磁盤空間來模擬一個很大的線性地址空間。在分頁機制下，每個段被分成很多頁（通常一個頁的大小是4KB），這些頁或者在物理內(nèi)存中，或者在磁盤上。操作系統(tǒng)會維護一個頁目錄和一組頁表來跟蹤這些頁。當一個進程試圖訪問線性地址空間的一個地址時，處理器會通過頁目錄和頁表將線性地址映射成物理地址，然后對其進行操作（讀或?qū)?#xff09;。如果被訪問的頁不在當前的物理內(nèi)存中，處理器會從磁盤上讀取缺少的這頁到物理內(nèi)存中，接著執(zhí)行操作。

處理器用來映射線性地址到物理地址的信息和產(chǎn)生缺少缺頁異常的信息都在頁目錄和頁表中，頁目錄和頁表都在內(nèi)存中。

為了減少地址轉(zhuǎn)換所使用的總線周期，最近被訪問過的頁目錄和頁表項都被緩存在一個叫做轉(zhuǎn)換后備緩沖區(qū)（translation lookaside buffers, TLBs）的設(shè)備中。TLBs可以滿足多數(shù)的讀當前頁目錄和頁表的請求而不占用總線周期。僅當所訪問的頁表項不在TLBs中時，才需要額外的總線周期。

分段和分頁有本質(zhì)的不同

• 分頁使用固定大小的頁面，頁有固定的尺寸。一個進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以部分在內(nèi)存，部分在磁盤
• 分段的每個段的大小不固定，與它所持有的代碼，數(shù)據(jù)總和有關(guān)。如果僅僅使用分段作為唯一的地址轉(zhuǎn)換形式，一個進程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須全部在物理內(nèi)存中

如果沒有采用分頁機制，那么線性地址就是物理地址。

頁表和頁目錄
當啟動分頁機制時，處理器用來進行線性地址到物理地址轉(zhuǎn)換的信息都包含在4個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中

• 頁目錄，一個由32位頁目錄項組成的數(shù)組。它被放在一個4KB的頁中，頁目錄最多包含1024個頁目錄。
• 頁表，一個由32位頁表項組成的數(shù)組。它存放在一個4KB的頁中，頁表最多包含1024個頁表項。對于2MB和4MB的頁，不適用頁表。這些頁直接從一個或者更多的頁目錄項映射。
• 頁，一個4KB，2MB或者4MB的平坦地址空間。
• 頁目錄指針表，由4個64位的項組成的數(shù)組，每一項都指向一個頁目錄。僅當啟用物理地址擴展時才使用這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的IA-32 Intel手册学习笔记（二）保护模式下的内存管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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