第2章 内存寻址

1. 内存地址

逻辑地址、虚拟地址、线性地址、物理地址，它们是很绕的逻辑，有些和Intel绑定的概念，没有必要完全区分；

可以认为，地址包括：虚拟地址和物理地址两种。

 

1.1. 逻辑地址

• 程序编译后的地址

 

1.2. 线性地址

• 程序运行时的内存地址

 

1.3. 物理地址

• 内存总线上的地址
• 如果CPU没有分页机制，那么线性地址=物理地址

 

 

2. 硬件中的分页

2.1. 分页基础概念

分页单元把RAM分为固定长度（4KB）的页框，每一个页框包含一物理页；

把线性地址映射成物理地址的数据结构叫做页表；页表总是放在主存中；

Intel处理器的每个页的大小为4KB（除非扩展分页）；

32bit处理器一共有4GB线性地址（实际物理地址可能没有这么大）；

页表也不是一次性全部加载，因此常用的页表也会被记录下来，称为TLB；每个CPU有自己的TLB并且不共享。

 

2.2. 线性地址

32位的线性地址分为3个域：Directoery（目录，10bit） + Table（页表，10bit） + Offset（偏移量，12bit）；

每个页表32bit，4GB / 4KB个页表，占用32bit * (4GB / 4KB) = 4MB，也就是光存页表就花了4MB；

二级分页可以节省页表本身的内存占用，是因为只为进程实际使用的那些虚拟内存区请求页表。

 

2.4. 硬件高速缓存

① 动态RAM（DRAM）慢速，静态RAM（SRAM）高速

② 引入硬件高速缓存的原因

• CPU时钟频率达到GHZ，DRAM的存取时间是时钟周期的几百倍
• 局部性原理：程序和数据的相邻地址最近被访问到的可能性极大

③ 高速缓存重点介绍

• 写分为通写（既写cache也写RAM）和回写（只写cache），Linux采用回写
• 只有当CPU执行刷新高速缓存指令，或者一个FLUSH硬件信号产生时（缺页时），高速缓存行才被写到DRAM中
• 多处理器系统中，每个cpu都有自己的高速缓存硬件，它们之间会通过硬件互相同步

 

 

3. 物理内存布局

3.1. 物理地址不可用情况

• 包含BIOS数据的页框：一般从地址0开始
• 映射硬件设备IO的共享内存（靠前的地址？）

 

3.2 内核将下面页框置为保留

• 上述不可用物理的页框
• 含有内核代码和已初始化的数据结构的页框

 

3.3. Linux内核在内存中的占用情况

为了避免把内核装入一组不连续的页框里，Linux跳过RAM第一个MB，用未保留页动态存放所分配的页；

Linux占用页框举例：

0 不可用页框 1 可用页框 0x9f 不可用页框 0x100(_text) 内核代码 _etext 已初始化内核数据 _edata 未初始化内核数据 _end

_text：内核代码第一个字节的地址

_etext：内核代码结束的位置；已初始化内核数据的首地址

_edata：已初始化内核数据的结束；未初始化内核数据的首地址

_end：未初始化内核数据的结束

 

 

4. 进程页表

有些线性地址只能内核态访问，有些线性地址内核态和用户态均可访问；

内核维持着自己使用的页表：主内核全局目录。