內(nèi)存地址

邏輯地址(logical address)

包括在機器語言指令中用來指定一個操作數(shù)或一條指令的地址。這樣的尋址方式在80x86著名的分段結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的尤為詳細。

每一個邏輯地址都有一個段(segment)和偏移量(offset)組成，偏移量指明了從段開始的地方到實際地址之間的距離。

線性地址(linear address)(也稱虛擬地址virtual address)

是一個32位無符號整數(shù)。能夠用來表示高達4G的地址。

線性地址通經(jīng)常使用十六進制數(shù)字表示，值的范圍從0x00000000到0xffffffff。

物理地址(physical address)

用于內(nèi)存芯片級內(nèi)存單元尋址。它們與微處理器的地址引腳發(fā)送到內(nèi)存總線上的電信號相相應。物理地址由32位或36位無符號整數(shù)表示。

內(nèi)存管理單元(MMU)通過一種稱為分段單元(segmentation unit)的硬件電路把一個邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址；接著，第二個稱為分頁單元(paging unit)的硬件電路把線性地址轉(zhuǎn)換為一個物理地址。

當Intel處理器工作在保護模式下，分段機制是必須使用的。而分頁是可選的。當分頁沒有使用時，線性地址空間就直接映射到物理地址空間。物理地址空間是指處理器在地址總線產(chǎn)生的地址空間范圍，如處理器為32位但地址總線是36位，這物理地址空間就是0~2^36

硬件中的分段

一個邏輯地址由兩部分組成:一個段標識符和一個指定段內(nèi)相對地址的偏移量。段標識符是一個16位長的字段，稱為段選擇符

段選擇符(segment selector)

Index 指定了放在GDT或者LDT中的對應段描寫敘述符的入口。從存放在GDT或者LDT中的8192個描寫敘述符中選擇段描寫敘述符。因為一個段描寫敘述符是8個字節(jié)長(以下 會講道)。因此它在GDT或者LDT內(nèi)的相對地址是由段選擇符的最高13位的值乘以8得到的。

比如：假設GDT在0x00020000(這個值保存在gdtr寄存器中)，且由段選擇符所指定的索引號為2，那么對應的段描寫敘述符地址是0x00020000 + 2*8

TI ? ?TI(Table Indicator)標志；指明段描寫敘述符是在GDT中(TI=0)或在LDT中(TI=1)

RPL ? 請求特權(quán)等級(Requested Privilege Level):當對應的段選擇符裝入到CS寄存器中時指示出CPU當前的特權(quán)等級。優(yōu)先級范圍從0到3，0代表最高優(yōu)先級。而3代表最低優(yōu)先級。Linux僅僅用到0級和3級，分別稱之為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)

為了高速方面地找到段選擇符，處理器提供段寄存器，段寄存器的唯一目的是存放段選擇符。這些寄存器稱為cs,ss,ds,es,fs和gs。

6個寄存器中有3個有專門用途：

cs ?代碼段寄存器，指向包括程序指令的段。

ss ?棧段寄存器。指向包括當前程序的段。

ds ?數(shù)據(jù)段寄存器，指向包括靜態(tài)數(shù)據(jù)或者全局數(shù)據(jù)段

對intel處理器。有兩種類型的指令用于載入段寄存器

一類是顯式引用，如MOV, POP, LDS, LES, LSS, LGS, and LFS

還有一類是隱式載入，如CALL,JMP,RET,SYSENTER,SYSEXIT,IRET,INTn等這些指令都會附帶改動CS或者其它段寄存器內(nèi)容

段描寫敘述符表(Segment Descriptor Tables)

段描寫敘述符表是一個段描寫敘述符的數(shù)組，一個描寫敘述符表的大小最多為8192(2^13)8byte的描寫敘述符

有兩種類型的描寫敘述符表

全局描寫敘述符表(Global Descriptor Table,GDT)

局部描寫敘述符表(Local Descriptor Table,LDT)

通常僅僅定義一個GDT。而每一個進程除了存放在GDT中的段之外還須要創(chuàng)建附加的段。就能夠有自己的LDT。GDT在主存中的地址和大小存放在gdtr控制寄存器中，當前正被使用的LDT地址和大小存放在ldtr控制寄存器中。

段描寫敘述符(Segment Descriptor)

Base ?包括段的首字節(jié)的線性地址，處理器把3個base address域形成一個32bit值，段基地址應該是要16字節(jié)邊界對齊的但不是必須的，由于16字節(jié)對齊能夠使程序性能最大化通過代碼與數(shù)據(jù)16字節(jié)邊界對齊

G ? ? 粒度(granularity)標志：假設該位清0,則段大小以字節(jié)為單位，否則以4096字節(jié)的倍數(shù)計

D/B ? 稱為D或B的標志，取決于是代碼段還是數(shù)據(jù)段。D或者B的含義情況在兩種情況下稍有差別，可是假設段偏移量的地址是32位長，就是基本上把它置為 ? ? ? 1，假設這個偏移量是16位長，它被清0

Limit 存放段中最后一個內(nèi)存單元的偏移量，從而決定段的長度。假設G被設置為0，則一個段的大小在1個字節(jié)到1MB之間變化；否則。將在4KB到4GB之間 ? ? ? 變化 ? ?

P ? ? Segment-Present標志：等于0表示段當前不在主存中。Linux總是把這個標志設置為1，由于它從來不把整個段交換到磁盤上去。

DPL ? 描寫敘述符特權(quán)級(Descriptor Privilege Level)字段：用于限制對這個段的存取。它表示為訪問這個段而要求的CPU最小的優(yōu)先級。因此，DPL設 ? ? ? 為0的段僅僅能當CPL為0時(即在內(nèi)核態(tài))才干夠訪問的，而DPL設為3的段對不論什么CPL值都是能夠訪問的

S ? ? 系統(tǒng)標志：假設它被清零。則這是一個系統(tǒng)段，存儲諸如LDT這樣的重要的作用結(jié)構(gòu)，否則它是一個普通的代碼段或數(shù)據(jù)段

Type ?描寫敘述了段的類型特征和它的存取權(quán)限

有幾種不同類型的段以及和它們相應的段描寫敘述符。

以下列出了Linux中被廣泛採用的類型:

代碼段描寫敘述符

表示這個段描寫敘述符代表一個代碼段，它能夠放在GDT或者LDT中。

該描寫敘述符置S標志位1

數(shù)據(jù)段描寫敘述符

表示這個段描寫敘述符代表一個數(shù)據(jù)段，它能夠放在GDT或者LDT中。該描寫敘述符置S標志位1。棧段是通過一般數(shù)據(jù)段實現(xiàn)的

任務狀態(tài)段描寫敘述符(TSSD)

表示這個段描寫敘述符代表一任務狀態(tài)段(Task State Segment,TSS),也就是說這個段用于保存處理器寄存器的內(nèi)容。它僅僅能出如今GDT中。

依據(jù)對應的進程是否正在CPU上執(zhí)行，其Type字段的值分別為11或9.這個描寫敘述符的S標志置為0

局部描寫敘述符表描寫敘述符(LDTD)

表示這個段描寫敘述代表一個包括LDT的段，它僅僅能出如今GDT中。對應的Type字段的值為12，S標志位0。

總結(jié)一下分段單元是怎樣把邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址的

a、先檢查段選擇符的TI字段，以決定段描寫敘述符保存在哪個描寫敘述符表。

b、從段選擇符的Index字段計算段描寫敘述符的地址，Index字段的值乘以8，這個結(jié)果與gdtr或者ldtr寄存器的內(nèi)容相加

c、把邏輯地址的偏移量與描寫敘述符Base字段的值相加就得到了線性地址

Linux中的分段

Linux以很有限的方式使用分段。與分段相比，Linux更喜歡使用分頁方式。由于：

a、當全部進程使用相同的段寄存器值時，內(nèi)存管理變得更簡單，也就是說它們能共享相同的一組線性地址

b、Linux設計目標之中的一個是能夠把它移植到絕大多數(shù)流行的處理器平臺上。

然而。RISC體系結(jié)構(gòu)對分段的支持有限

2.6版本號的Linux僅僅有在80x86結(jié)構(gòu)下才須要使用分段。

執(zhí)行在用戶態(tài)的全部Linux進程都使用一對同樣的段來對指令和數(shù)據(jù)尋址。

這兩個段就是所謂的用戶代碼段和用戶數(shù)據(jù)段。類似地，執(zhí)行在內(nèi)核態(tài)的全部Linux進程都使用一對同樣的段對指令和數(shù)據(jù)尋址：它們分別叫做內(nèi)核態(tài)代碼段和內(nèi)核數(shù)據(jù)段。

四個基本的Linux段的段描寫敘述符字段的值

段 ? ? ? ? Base ? ? ? G ?Limit ? ?S ?Type ?DPL ?D/B ?P

用戶代碼段 ?0x00000000 ?1 ?0xfffff ?1 ?10 ? ?3 ? ?1 ? ?1

用戶數(shù)據(jù)段 ?0x00000000 ?1 ?0xfffff ?1 ?2 ? ? 3 ? ?1 ? ?1

內(nèi)核代碼段 ?0x00000000 ?1 ?0xfffff ?1 ?10 ? ?0 ? ?1 ? ?1

內(nèi)核數(shù)據(jù)段 ?0x00000000 ?1 ?0xfffff ?1 ?2 ? ? 0 ? ?1 ? ?1

對應的段選擇符由宏__USER_CS、__USER_DS、__KERNEL_DS、__KERNEL_CS。比如，為了對內(nèi)核代碼段尋址，內(nèi)核僅僅須要把__KERNEL_CS宏產(chǎn)生的值裝進cs段寄存器就可以

注意，與段相關(guān)的線性地址從0開始。達到2^32-1的尋址限長。

這意味著在用戶態(tài)或者內(nèi)核態(tài)下的全部進程能夠使用同樣的邏輯地址。

全部段都從0x00000000開始，這能夠得出還有一個重要結(jié)論，那就是在Linux下邏輯地址與線性地址是一致的。即邏輯地址的偏移量字段的值與對應的線性地址的值總是一致的

摘自linux-2.6.32/arch/x86/include/asm/segment.h

#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS 14 #define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS 15 #define GDT_ENTRY_KERNEL_BASE 12 #define GDT_ENTRY_KERNEL_CS (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 0) #define GDT_ENTRY_KERNEL_DS (GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 1) #define __KERNEL_CS (GDT_ENTRY_KERNEL_CS * 8) #define __KERNEL_DS (GDT_ENTRY_KERNEL_DS * 8) #define __USER_DS (GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS* 8 + 3) #define __USER_CS (GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS* 8 + 3)

Linux GDT

在單處理器系統(tǒng)中僅僅有一個GDT，而在多處理器系統(tǒng)中每一個CPU相應一個GDT。

全部的GDT都存放在cpu_gdt_table數(shù)組中。

每個GDT中包括的18個段描寫敘述符指向下列的段：

a、用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)下的代碼段和數(shù)據(jù)段共4個

b、任務狀態(tài)段(TSS)，每一個處理器有1個。每一個TSS對應的線性地址空間都是內(nèi)核數(shù)據(jù)段對應線性地址空間的一個子集。

c、一個包含缺省局部描寫敘述符表的段，這個段一般是被全部進程共享的段

d、3個局部線程存儲段(Thread-Local Storage,TLS)：這樣的機制同意多線程應用程序使用最多3個局部于線程的數(shù)據(jù)段。

系統(tǒng)調(diào)用set_thread_area()和get_thread_area()分別為正在運行的進程創(chuàng)建和撤銷一個TLS段

Linux LDT

大多數(shù)用戶態(tài)下的Linux程序不使用局部描寫敘述符表，這樣內(nèi)核就定義了一個缺省的LDT共大多數(shù)進程共享。

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/brucemengbm/p/6753685.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的内存寻址一(分段)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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