記憶體定址(一) 基本概念與機制

2021-09-25 12:05:49 字數 3163 閱讀 4010

在程式設計中我們(編譯器)為各種資料分配的記憶體均為邏輯位址,邏輯位址通過作業系統轉換為實體地址,也就是晶元級物理記憶體的位址。在使用intel 80x86微處理器時,應當分清以下三種「位址」:

cpu控制單元通過一種稱為分段單元(segmentation unit)的硬體電路把乙個邏輯位址轉換成線性位址;

接著,第二個稱為分頁單元(paging unit)的硬體電路把乙個線性位址轉換成實體地址。

最早記憶體沒有抽象,程式直接讀寫物理記憶體。在這種情況下,通常同時執行兩個程式是不可能的,因為它們很可能同時訪問同乙個實體地址導致程式崩潰。

當intel 8086處理器出現時,記憶體定址迎來第一次飛躍,它引入了乙個重要的概念——,段式記憶體使得程式位址不再需要靜態重定位,支援了更大的位址。

8086處理器的資料匯流排是16位的,但其目標是定址1mb的記憶體,這意味著需要20位的位址匯流排。為了解決這個問題,當時引入了分段的方法。

乙個邏輯位址由兩部分組成:乙個段識別符號和乙個指定段內相對位址的偏移量。段識別符號是乙個16 位長的字段,稱為段選擇符(segment selector),而偏移量是乙個32 位長的字段。

為了方便找到段選擇符,處理器提供6個段暫存器專門用來存放段選擇符。它們是cs、ss、ds、es、fs和gs。

每個段由乙個8位元組的段描述符(segment descriptor)來具體描述。段描述符放在全域性描述符表(global descriptor table ,gdt)或區域性描述符表(local descriptor table, ldt)中。段描述符標被存在乙個非程式設計cpu暫存器中,非程式設計暫存器對程式設計師不可見,僅供6個可程式設計的段暫存器使用。**

b31 ~ b24 和 b23 ~ b16分別為基位址的 bit16 ~ bit23 和 bit24 ~ bit31;

l19 ~ l16和l15 ~ l0為段limit的 bit10 ~ bit15 和 bit16 ~ bit19。

4位type域描述了段的型別特徵和訪問許可權,廣泛使用如下幾種:

1.**段描述符(描述符代表乙個**段,可以放在gdt或ldt中,s標誌位為1)

2.資料段描述符(描述符代表乙個資料段,可以放在gdt或ldt中,s標誌位為1)

3.任務狀態段描述符(代表乙個任務狀態段(tss),只能存放在gdt中,s標誌位為9或11)

4.區域性描述符表描述符(代表乙個ldt段,只能存放在gdt中,s標誌位為0)

之前提到16位的段選擇符存放在段暫存器中,它直接指向段描述符。每當乙個段選擇符被裝入段暫存器,相應的段描述符就被裝入非程式設計暫存器。*此時cpu只需直接引用段描述符所在暫存器即可,不需訪問主存中的gdt或ldt。*僅當段暫存器的內容改變時,才有必要訪問gdt或ldt。

段選擇符包含以下域:

分段單元(segmentationunit)執行以下操作:

先檢查段選擇符的ti欄位,以決定段描述符儲存在哪乙個描述符表中。ti欄位指明描述符是在gdt中(在這種情況下,分段單元從gdtr暫存器中得到gdt的線性基位址)還是在ldt中(在這種情況下,分段單元從ldtr暫存器中得到ldt的線性基位址)。

從段選擇符的 index 索引字段計算段描述符的位址,index欄位的值乘以8(乙個段描述符的大小),這個結果與gdtr或ldtr暫存器中的內容相加

邏輯位址的偏移量與段描述符基位址域(base)相加,就得到了線性位址。

分頁單元在分段之後執行,把線性位址轉換成實體地址

為了效率起見,線性位址被分成以固定長度為單位的組,稱為頁(page)。頁內部連續的線性位址被對映到連續的實體地址中。這樣,核心可以指定乙個頁的實體地址和其訪問許可權,而不用指定頁所包含的全部線性位址的訪問許可權。

分頁單元把所有的ram 分成固定長度的頁框(page frame)。每乙個頁框包含乙個頁,也就是說乙個頁框的長度與乙個頁的長度一致。頁框是主存的一部分,因此也是乙個儲存區域。

區分一頁和乙個頁框是很重要的,前者只是乙個資料塊,可以存放在任何頁框或磁碟中。

把線性位址對映到實體地址的資料結構稱為頁表(page table)。頁表存放在主存中,並在啟用分頁單元之前必須由核心對頁表進行適當的初始化。

directory域和table域都是10位,它們擁有相同的結構,均包含以下的域:

線性位址的轉換分兩步完成,每一步都基於一種轉換表,第一種轉換表稱為頁目錄表,第二種轉換表稱為頁表

正在使用的頁目錄的實體地址存放在控制暫存器 cr3中。線性位址內的directory 字段決定頁目錄中的目錄項,而目錄項指向適當的頁表。位址的table 字段依次又決定頁表中的表項,而表項含有頁所在頁框的實體地址offset 字段決定頁框內的相對位置

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