内存分段分页机制理解

r囧r小猫 2024-04-17 17:01 24阅读 0赞

现代操作系统，计算机内存是按照**先分段再分页**的方式管理的。  
注意：  
以下描述都是基于32位计算机进行描述的。

# 1. 分段 #

## 1) 程序直接使用物理地址的问题 ##

考虑最原始，最直接的情况，程序中访问的地址都直接对应于物理地址。  
这种方式有以下几个问题：  
1）两个使用的地址有交集的程序没法同时动行。  
2）写代码时，必须考虑到要运行的计算机内存大小。比如说，程序要在两台机器上运行，但是一台内存为4G，一台内存为8G，那么程序最大能够使用的物理地址也就只有4G。  
3）各个程序使用的内存无法进行控制。系统程序无法得到保护，各个程序之间无法隔离。

所以引入了分段机制。那么什么是**分段机制**呢？  
将内存分成一段一段的（段大小不固定），为程序被分配某个段之后，程序便只能访问固定的段，无法访问其他地址。  
而且代码中不再使用绝对地址，而是使用相对地址。当程序加载到内存中运行的时候，操作系统为程序分配合适的段。并记录段的起始地址，及界限。当程序需要访问内存中某个变量时，用段起始地址+相对地址（段内偏移地址）得到真实的物理地址。  
通过这么一个机制，上面提到的直接使用物理内存的几个问题就都得到了解决。

## 2) 分段机制详述 ##

内存的分段信息由操作系统进行维护，整个系统独一份（网上找到的文章大多都说一个处理器一份，不太理解）。维护分段信息的表叫做**段描述符表**，英文叫做GDT（global describetor table)，里面存储的是段描述符，每个段描述符占**8个字节**。包含段起始地址，段界限（大小），属性。计算机有一个专门的寄存器来存储**段描述符表**的起始地址：GDTR。这个寄存器长48个bit，32位表示基地址，16位表示长度。  
知道了段描述符表，还得知道对应表中的哪个表项，才能找到段起始地址及界面。这就需要另一个寄存器了：**段选择符寄存器**。段选择符寄存器长16位，13位用来存储在段描述符表中的偏移，另外3位用来存储属性。所以可以看出，GDT表长度最多只能到2^13=8192个字节。8192/8=1024b也就是1024个表项。

可以想象，对于庞大的操作系统而言，仅仅分1024个段是远远不够的。所以又设计了LDT的机制：  
段选择符寄存器的3个属性位中，有一个属性位标识要访问的段描述符表项一个普通的表项，还是一个LDT。LDT和GDT一样，就是一个段描述符表，不过不是全局唯一的了。那么在LDT中，到底对应哪一个表项呢？答案是LDTR，LDTR中存储了在LDT表中的偏移。

可以看出，GDTR寄存器中的值是不需要变的。  
但是**段选择符寄存器**，**LDTR**都是随着运行的程序的变化而变化的。所以保存对应程序的上下文时，需要保存对应寄存器的值。

附以上涉及的各个寄存器各个bit详细说明：  
**段描述符（8个字节）**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMxNTY3MzM1_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**GDTR**(48bit,存储段描述符表的起始地址及长度）  
![在这里插入图片描述][20190829070238688.png]  
**段选择符**  
![在这里插入图片描述][20190829070254977.png]  
**LDTR**  
长度也是16位。没找到关于详细结构的说明。略。。

> 参考  
> [内存寻址原理][Link 1](详细透彻）

## 3) 实模式下的分段机制 ##

上面讲的是保护模式下的分段机制，在保护模式下利用GDT存储段信息来实现相对地址到线性地址的转换。  
在实模式下也有分段机制，不过原因有所不同。  
**段寄存器的产生**  
段寄存器的产生源于Intel 8086 CPU体系结构中数据总线与地址总线的宽度不一致。数据总线的宽度，也即是ALU(算数逻辑单元)的宽度，平常说一个CPU是“16位”或者“32位”指的就是这个。8086CPU的数据总线是16位。  
地址总线的宽度不一定要与ALU的宽度相同。因为ALU的宽度是固定的，它受限于当时的工艺水平，当时只能制造出16位的ALU；但地址总线不一样，它可以设计得更宽。地址总线的宽度如果与ALU相同当然是不错的办法，这样CPU的结构比较均衡，寻址可以在单个指令周期内完成，效率最高；而且从软件的解决来看，一个变量地址的长度可以用整型或者长整型来表示会比较方便。但是，地址总线的宽度还要受制于需求，因为地址总线的宽度决定了系统可寻址的范围，即可以支持多少内存。如果地址总线太窄的话，可寻址范围会很小。如果地址总线设计为16位的话，可寻址空间是2^16=64KB，这在当时被认为是不够的；Intel最终决定要让8086的地址空间为1M，也就是20位地址总线。地址总线宽度大于数据总线会带来一些麻烦，ALU无法在单个指令周期里完成对地址数据的运算。有一些容易想到的可行的办法，比如定义一个新的寄存器专门用于存放地址的高4位，但这样增加了计算的复杂性，程序员要增加成倍的汇编代码来操作地址数据而且无法保持兼容性。  
Intel想到了一个折中的办法：把内存分段，并设计了4个段寄存器，CS，DS，ES和SS，分别用于指令、数据、其它和堆栈。把内存分为很多段，每一段有一个段基址，当然段基址也是一个20位的内存地址。不过段寄存器仍然是16位的，它的内容代表了段基址的高16位，这个16位的地址后面再加上4个0就构成20位的段基址。而原来的16位地址只是段内的偏移量。这样，一个完整的物理内存地址就由两部分组成，高16位的段基址和低16位的段内偏移量，当然它们有12位是重叠的，它们两部分相加在一起，才构成完整的物理地址。

> 参考：  
> [段寄存器][Link 2]  
> (搜到搜去，百度百科居然是讲得最清楚的）

# 2.分页 #

## 1) 为什么需要分页？ ##

线性地址是连续的，如果直接使用线性地址作为物理地址，那么为每个段分配的物理内存就必须是连续的物理内存。这不利用碎片化内存的利用，为内存管理增大了难度。所以引入了分页机制，将地址分为大小固定的页（一般为4096字节），按页为单位进行映射。连续的线性地址可以映射到不连续的的物理内存上。  
分页的另一个优点是，当物理内存不足时，可以按页为单位将内存的内容转换到磁盘上保存起来。  
如果不使用分页，则只能整个段整个段的进行转换。

## 2） 分页机制详述 ##

对于4GB线性地址而言，每个页4KB，则总共可以分成1024\*1024=1048576个页面。  
要表示每个页面的物理地址，需要4个字节。那么总共需要4MB的空间来存储分页相关的信息。  
按我的理解，基于上面讲的分段机制，所有程序是共享4GB的线性地址的，所以整个系统保存一份分页相关的信息即可。  
可能是哪里理解得有点不对，实际情况貌似是程序可以独享4GB的线性地址。所以每个程序都需要维护一个分页信息。那么每个程序都要4M的空间用来存储分页信息，这是不可接受的。

所以设计了两级分页机制：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMxNTY3MzM1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
第一级叫做页目录，包含1024个表项。每个表项指向二级页表的地址。  
第二级叫做页表，包含1024个页。每个表项对应一个物理地址。  
页目录和页表项以及内存都是4KB对齐的。也就是说，地址的低12位必须全部为0，只需要使用地址的高20位即可。低12位可以用来存储属性。

那么怎么确定页目录存储的位置呢？答案是CR3寄存器。需要为每个程序维护一个CR3寄存器的值。

CPU内置了段部件和页部件。所以说CPU支持从相对地址（逻辑地址）到线性地址的转换，也支持线性地址到物理地址的转换。

线性地址转换为物理地址时，线性地址被分为3个部分：高10位，中间10位，低12位。  
高10位*4（每个表项4字节）作为索引在页目录上查找。  
中间10拉*4，在页表中查找。  
低12位作为页内偏移，得到最终的物理地址。

> 参考  
> [内存分页机制][Link 3]

# 疑问 #

## 1）每个程序的线性地址是独立的吗？为什么要为每个程序维护一份分页信息？ ##

根据我的理解来看，各个程序的线性地址是独立的。  
正是因为各个程序的线性地址是独立的，所以需要为各个程序维护分页信息。  
貌似操作系统都未真正使用分段机制，分段起始地址都是0。  
但是在linux上查看各个进程，却发现他们的堆栈地址空间是无重叠的部分。所以说，还是没有弄清楚。

## 2）以上所讲分段和分页机制，还无法支持32位计算机使用超过4GB的内存，其机制是怎么样的？ ##

在linux上使用的机制叫PAE机制：  
简述：  
使用PAE扩展之后（设置CR4寄存器的第5位），地址变为8个字节。页目录和页表的大小没变，所以表示的项变少为一半。为了解决这个问题，增加了一级：cr3不再指向页目录表，而是指向一个大小为4的页目录指针表。（32字节对齐，所以只需要27位从便足够表示）  
为了寻址超过4GB的空间，就需要对cr3设置不同的值。  
通过设置cr3不同的值，就可以访问总共超过4GB大小的物理空间。  
只有内核能够修改进程的页表，所以用户态下运行的进程不能使用大于4GB的物理空间。

> [https://blog.csdn.net/qq\_31567335/article/details/84420554][https_blog.csdn.net_qq_31567335_article_details_84420554]

其实还是理解得比较模糊。

## 3)有了分页机制，还要分段机制有什么用呢？ ##

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[Link 1]: https://blogread.cn/it/article/7660?f=catemore
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E6%AE%B5%E5%AF%84%E5%AD%98%E5%99%A8
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[Link 3]: https://blog.csdn.net/qq_37653144/article/details/82850368
[https_blog.csdn.net_qq_31567335_article_details_84420554]: https://blog.csdn.net/qq_31567335/article/details/84420554