地址

我迷失在田野里，渐渐忘记了回家的路

几种不同的地址

名称	概念
逻辑地址	程序产生的段内偏移，由段选择符和段内偏移组成的地址。由操作系统决定，和物理地址一一对应的地址，C语言中的指针即为逻辑地址 逻辑地址就是段+页偏移
线性地址	段基址+段内偏移量构成的地址，如果未开启分页，那么线性地址就是物理地址，否则还需二次转换。 线性地址就是段偏移，但是还未进行页转换的地址 虚拟地址就是线性地址（linux内核明确表示）
物理地址	真实物理内存中的地址，即内存地址寄存器中的地址物理地址

物理地址

物理地址就是硬件支持的地址空间，起始地址为0，一直到$\textrm{MAX}_{\textrm{sys}}$，如下所示：

每个物理内存单元的物理地址编号是唯一的，给写程序造成了不便，因此我们需要使用逻辑地址或虚拟地址，建立虚拟地址与物理地址之间的映射，从而可以使用相同的虚拟地址指向不同的物理地址

逻辑地址

CPU运行进程时看到的地址，起始地址为0，一直到$\textrm{MAX}_{\textrm{proc}}$

逻辑地址的作用

• 避免直接将物理地址暴露，从而导致访问任意内存程序崩溃
• 可以用相邻的虚拟地址映射到不相邻的物理地址
• 可以使用一系列的虚拟地址访问大于可用物理内存的内存缓冲区（虚拟内存）
• 不同进程间使用虚拟地址相互隔离

例如，如果同一时刻由两个进程P1和P2，那么两者的逻辑地址范围是多少？假设逻辑地址最大为65535。实际上，P1和P2可以有一样范围的地址，都为0-65535，操作系统会确保其逻辑地址指向不同的物理地址。

从这个问题中我们也可以看出，操作系统帮我们屏蔽了底层的物理实现。

逻辑地址的生成过程

生成时机和限制

• 编译时（最不灵活，写死的，但是比较简单）
  • 假设起始地址已知
  • 如果起始地址改变，必须重新编译
• 加载时（加载程序可以选择加载位置，但是加载好了执行过程中不能变）
  • 如编译时起始位置未知，编译器需要生成可重定位的代码
  • 加载时生成绝对地址，在可执行文件中有一个重定位表，根据表修改绝对地址
• 执行时（执行过程中可以移动代码，最灵活，需要虚拟地址支持）
  • 执行时代码可移动（前两种情况不能随意改动）
  • 需要地址转换（映射）硬件支持

地址转换

虚拟地址（线性地址）到物理地址转换步骤

这里讨论一个二级页表情况下VA到PA的转换过程，已知一个虚拟地址为0x01EB6338，CR3寄存器的值为0xAC0F1000，求物理地址。

第一步：写出二进制地址并拆分

虚拟地址的二进制为：$0000,0001 ,1110 ,1011 ,0110 ,0011 ,0011 ,1000$

按照线性地址2级分页进行划分，地址可以被拆分为：

• Dir：0000,0001,11
• Table：10 ,1011 ,0110
• Offset：0011 ,0011 ,1000

换算成十六进制可得到如下结果：

• 页目录索引：7
• 页表索引：0x2B6
• 偏移量：0x338

第二步：根据CR3寄存器的物理地址确定页目录表的基地址

CR3中存放的物理地址就是页目录表的基地址

第三步：计算页表项的地址

页表地址存放在Page Directory Entry的第7项中，即

　[0xAC0F1000 + 4 * 7] = [0xAC0F101C] = 0xAC0F101C: pte

0xAC0F101C这个地址保存了pte的值，假设这个值为0x2F103841，那么其中PTE为0x2F103000，而页表属性为0x381。

第四步：计算页面的物理地址

页表的地址为0x2F103000，存放在第0x2B6项，所以虚拟地址所在页的物理地址为：

[0x2F103000 + 0x2B6 * 4] = [0x2F103AD8] = 0x2F103AD8: pa

这里得到的pa是未经偏移的物理地址，假设为0x7095e847，那么页面物理地址为0x7095E000，属性为0x847

最后一步：计算偏移量

最终物理地址为0x7095E000+0x338 = 7095E338

地址生成过程的硬件解释

CPU与内存连接的结构图如上图所示，我们从一条指令执行过程出发，分析虚拟地址到物理地址的转换过程。

• CPU当前正在执行一条指令
  • ALU：需要逻辑地址指向的内存内容
  • MMU：根据页表进行逻辑到物理的转换
  • CPU控制器：给总线发送物理地址请求
• 内存
  • 根据控制信号是读还是写，向总线发送或接收内容
• 操作系统
  • 建立逻辑地址LA到物理地址PA的映射，地址转换是MMU硬件完成的，而操作系统只负责提供映射表

寻址方式

现代CPU采用虚拟寻址的方式，需要将虚拟地址翻译成物理地址，这样才能访问真实的物理内存。完成虚拟地址转换为物理地址的的硬件是CPU中的MMU。转换过程为：

其中，C语言中的指针就是虚拟地址中的Offset部分，如果关闭了段选，那么线性地址就是虚拟地址。更具体的带有多级页表的转换方式如下：

地址检查

在地址转换过程中，操作系统会对地址进行检查。例如在段选过程中，操作系统会判断逻辑地址是否大于段长度寄存器，如果是，那么会触发内存异常。如果不是，那么地址会和段基址寄存器相加，生成线性地址。操作系统负责设置段长度和段基址。

分级

上面的线性地址被分为了两级，分别是：

• Dir
• Table

Page Table Entry

PDE与PTE

PDE与PTE的大小都为32位，具体格式如下：

PDE（页目录表）

MMU通过%cr3寄存器获得PD位置，即完成不同进程之间PD的切换

PTE（页表）

PTE由Physical Page Number（20-bit）和flags（12-bit）组成，其中：

• Physical Page Number = PPN，根据这个值可以找到对应的物理内存页的基地址
• flag记录了该页的控制信息（是否存在、能否写以及能否被进程使用等）

MMU将会把这20位的虚拟地址替换为PTE中的物理地址。PTE由MMU加载并存储在内存中。

标志位解析

标志位	全称	功能
P	Present	对于大多数操作系统，如果present为0，代表PDE或PTE数据无效
W	Writable	内存是否可写
U(PTE_U)	User	用户是否可访问

参考文献