内存寻址的三种模型

1. 地址的种类

首先明确一下逻辑地址和线性地址这两个概念：

1. 逻辑地址

2. 线性地址

3. 物理地址

1.1 逻辑地址：

逻辑地址是编译器生成的，我们使用在linux环境下，使用C语言指针时，指针的值就是逻辑地址。对于每个进程而言，他们都有一样的进程地址空间，类似的逻辑地址，甚至很可能相同。

1.2 线性地址：

线性地址是由分段机制将逻辑地址转化而来的，如果没有分段机制作用，那么程序的逻辑地址就是线性地址了。

1.3 物理地址

物理地址是CPU在地址总线上发出的电平信号，要得到物理地址，必须要将逻辑地址经过分段，分页等机制转化而来。

2. 三种寻址模型

x86体系结构下，使用的较多的内存寻址模型主要有三种：

1. 实模式扁平模型 real mode flat model

2. 实模式分段模型 real mode segment model

3. 保护模式扁平模型 protected mode flat model

下面是对这三种模型的描述

实模式和保护模式相对，实模式运行于20位地址总线，保护模式则启用了32位地址总线，地址使用的是虚拟地址，引入了描述符表；虽然二者都引入了段这样一个概念，但是实模式的段是64KB固定大小，只有16KB个不同的段，CS,DS等存储的是段的序号（想想为什么？）。保护模式则引入了GDT和LDT段描述符表的数据结构来定义每个段。

扁平模型和分段模型相对，区别在于程序的线性地址是共享一个地址空间还是需要分成多个段，即为多个程序同时运行在同一个CS，DS的范围内还是每个程序都拥有自己的CS，DS：前者(flat)指令的逻辑地址要形成线性地址，不需要切换CS，DS；后者的逻辑地址，必须要经过段选择子去查找段描述符，切换CS，DS，才能形成线性地址。

3. 实模式扁平模型

该模式只有在386及更高的处理器中才能出现！

80386的实模式，就是指CPU可用的地址线只有20位，能寻址0~1MB的地址空间。注意：80386的实模式并不等同于8086/8088的实模式，后者的实模式其实就是实模式分段模型！

扁平模型，意味着我们这里不使用任何的分段寄存器。（其实还是使用了CS,DS，只是不用程序员去显示地为该寄存器赋值，jmp指令时就已经将CS, DS设置好了)

Linux启动代码 arch/i386/boot/bootsect.S就工作在该模式下。

逻辑地址 ----> 物理地址

 

4. 实模式分段模型

对于 8086/8088 运行在实模式的程序，其实就是运行在实模式分段模型中。对于不同的程序，有不同的CS，DS值，每个程序的段起始地址都不同。对于这样的程序而言，偏移地址16位的特性决定了每个段只有64KB大小。

详细过程可以用下图来描述：该图来自 http://duartes.org/gustavo/blog/

 

5. 保护模式扁平模型

我们的Linux， Window XP/7采用的内存寻址模型，Linux中，段主要分为4种，即为内核代码段，内核数据段，用户代码段，用户数据段。

对于内核代码段和数据段而言，CS,DS的值是0xC00000000，而用户代码和数据段的CS,DS的值是0x00000000

当CPU运行于32位模式时，不管怎样，寄存器和指令都可以寻址整个线性地址空间，所以根本就不需要再去使用基地址。基址可以设为一个统一的值。

下面是一个示例，该图来自 http://duartes.org/gustavo/blog/

扁平模型在这里得到了很好的体现，这个用户空间的程序基地址是0,。事实上，所有的用户空间的程序，其GDT指向的基地址都是0。