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问答题 76 /290

请问虚拟内存和物理内存怎么对应

参考答案

参考回答:

1、概念:

物理地址(physical address)

用于内存芯片级的单元寻址,与处理器和CPU连接的地址总线相对应。


虽然可以直接把物理地址理解成插在机器上那根内存本身,把内存看成一个从0字节一直到最大空量逐字节的编号的大数组,然后把这个数组叫做物理地址,但是事实上,这只是一个硬件提供给软件的抽像,内存的寻址方式并不是这样。所以,说它是“与地址总线相对应”,是更贴切一些,不过抛开对物理内存寻址方式的考虑,直接把物理地址与物理的内存一一对应,也是可以接受的。也许错误的理解更利于形而上的抽像。


虚拟地址(virtual memory)

这是对整个内存(不要与机器上插那条对上号)的抽像描述。它是相对于物理内存来讲的,可以直接理解成“不直实的”,“假的”内存,例如,一个0x08000000内存地址,它并不对就物理地址上那个大数组中0x08000000 - 1那个地址元素;


之所以是这样,是因为现代操作系统都提供了一种内存管理的抽像,即虚拟内存(virtual memory)。进程使用虚拟内存中的地址,由操作系统协助相关硬件,把它“转换”成真正的物理地址。这个“转换”,是所有问题讨论的关键。


有了这样的抽像,一个程序,就可以使用比真实物理地址大得多的地址空间。甚至多个进程可以使用相同的地址。不奇怪,因为转换后的物理地址并非相同的。


——可以把连接后的程序反编译看一下,发现连接器已经为程序分配了一个地址,例如,要调用某个函数A,代码不是call A,而是call 0x0811111111 ,也就是说,函数A的地址已经被定下来了。没有这样的“转换”,没有虚拟地址的概念,这样做是根本行不通的。


2、地址转换

第一步:CPU段式管理中——逻辑地址转线性地址

CPU要利用其段式内存管理单元,先将为个逻辑地址转换成一个线程地址。

一个逻辑地址由两部份组成,【段标识符:段内偏移量】。

段标识符是由一个16位长的字段组成,称为段选择符。其中前13位是一个索引号。后面3位包含一些硬件细节,如图:

通过段标识符中的索引号从GDT或者LDT找到该段的段描述符,段描述符中的base字段是段的起始地址


段描述符:Base字段,它描述了一个段的开始位置的线性地址。


一些全局的段描述符,就放在“全局段描述符表(GDT)”中,一些局部的,例如每个进程自己的,就放在所谓的“局部段描述符表(LDT)”中。


GDT在内存中的地址和大小存放在CPU的gdtr控制寄存器中,而LDT则在ldtr寄存器中。

段起始地址+ 段内偏移量 = 线性地址

首先,给定一个完整的逻辑地址[段选择符:段内偏移地址],

1、看段选择符的T1=0还是1,知道当前要转换是GDT中的段,还是LDT中的段,再根据相应寄存器,得到其地址和大小。我们就有了一个数组了。

2、拿出段选择符中前13位,可以在这个数组中,查找到对应的段描述符,这样,它了Base,即基地址就知道了。

3、把Base + offset,就是要转换的线性地址了。

第一步:页式管理——线性地址转物理地址


再利用其页式内存管理单元,转换为最终物理地址。


linux假的段式管理


Intel要求两次转换,这样虽说是兼容了,但是却是很冗余,但是这是intel硬件的要求。


其它某些硬件平台,没有二次转换的概念,Linux也需要提供一个高层抽像,来提供一个统一的界面。


所以,Linux的段式管理,事实上只是“哄骗”了一下硬件而已。


按照Intel的本意,全局的用GDT,每个进程自己的用LDT——不过Linux则对所有的进程都使用了相同的段来对指令和数据寻址。即用户数据段,用户代码段,对应的,内核中的是内核数据段和内核代码段。


在Linux下,逻辑地址与线性地址总是一致的,即逻辑地址的偏移量字段的值与线性地址的值总是相同的。


linux页式管理


CPU的页式内存管理单元,负责把一个线性地址,最终翻译为一个物理地址。


线性地址被分为以固定长度为单位的组,称为页(page),例如一个32位的机器,线性地址最大可为4G,可以用4KB为一个页来划分,这页,整个线性地址就被划分为一个tatol_page[2^20]的大数组,共有2的20个次方个页。


另一类“页”,我们称之为物理页,或者是页框、页桢的。是分页单元把所有的物理内存也划分为固定长度的管理单位,它的长度一般与内存页是一一对应的。

每个进程都有自己的页目录,当进程处于运行态的时候,其页目录地址存放在cr3寄存器中。


每一个32位的线性地址被划分为三部份,【页目录索引(10位):页表索引(10位):页内偏移(12位)】


依据以下步骤进行转换:

从cr3中取出进程的页目录地址(操作系统负责在调度进程的时候,把这个地址装入对应寄存器);


根据线性地址前十位,在数组中,找到对应的索引项,因为引入了二级管理模式,页目录中的项,不再是页的地址,而是一个页表的地址。(又引入了一个数组),页的地址被放到页表中去了。


根据线性地址的中间十位,在页表(也是数组)中找到页的起始地址;


将页的起始地址与线性地址中最后12位相加。


目的:


内存节约:如果一级页表中的一个页表条目为空,那么那所指的二级页表就根本不会存在。这表现出一种巨大的潜在节约,因为对于一个典型的程序,4GB虚拟地址空间的大部份都会是未分配的;

32位,PGD = 10bit,PUD = PMD = 0,table = 10bit,offset = 12bit

64位,PUD和PMD ≠ 0