内存寻址
内存地址
- 逻辑地址：段+偏移量
- 线性地址：也称为虚拟地址，32位
- 物理地址：对真正存在的内存条进行寻址的地址
- 内存管理单元MMU:
- 分段单元：将逻辑地址转换成线性地址
- 分页单元：将线性地址转换成物理地址
硬件中的分段
段选择符和段寄存器
- 段选择符，16位字段
- 索引号
- 表指示器（GDT还是LDT）
- 请求者特权级RPL
- 段寄存器
- 目的：存放段选择符
- 常用段寄存器
- CS，codeSegment：代码段寄存器，指向程序指令的段
- SS，stackSegment：栈段寄存器，指向包含当前程序栈的段
- DS，dataStack：数据段寄存器，指向包含静态数据或全局数据的段
- PS：CS低二位指明CPU当前特权级CPL
段描述符
描述段的特征，8字节，放在全局描述符表GDT或局部描述符表LDT
- GDT地址放在gdtr寄存器，LDT地址放在ldtr寄存器
- 字段
- Base：段首字节线性地址
- Limit：最大偏移量
- DPL：描述符特权级
- S：系统标志，表明是系统段（GDT、LDT）还是普通段（数据段、代码段）
- Type：描述段的类型特征和存取权限
- P：表示是否在内存中，Linux不用
- D或B：D还是B取决于是代码段还是数据段
- AVL：Linux不用
分段单元
- 检查段选择符TI字段，确定段选择符在GDT还是LDT
- 从段选择符的index字段计算段描述符在表中的偏移
- 从ldtr寄存器或gdtr寄存器获取段描述符表的基址
- 根据2、3找到对应段描述符，Base字段+逻辑地址的偏移量就能得到线性地址
Liunx中的分段
四个重要的Linux段
- 用户代码段：段选择符宏__USER_CS
- 用户数据段：段选择符宏__USER_DS
- 内核代码段：段选择符宏__KERNEL_CS
- 内核数据段：段选择符宏__KERNEL_DS
- 四个段描述符的Base和Limit都一样，由CS判断CPL
GDT
每个CPU对应一个GDT，副本基本都一样
- 内容
- 用户态和内核态下的代码段和数据段
- TSS
- LDT
- TLS：thread local storage：线程局部存储段，放线程私有数据
LDT
大多数用户态下的Linux程序不使用LDT，因此GDT中的LDT是默认的
硬件中的分页
- 线性地址被分成以固定长度为单位的组，称为页
- 分页单元把所有物理内存分程固定长的的页框
- 把线性地址映射到物理地址的数据结构称为页表
常规分页
线性地址被分为3个域，10位目录，10位页表，12位偏移量，4KB一页
- 二级页表作用：不需要全部页表都放入内存，根据页目录把实际需要的页表放入内存
- 页目录放在cr3页目录基址寄存器
- 缺页时把线性地址放在cr2页故障地址寄存器
- 页目录项和页表项的几个标志
- present：是否在内存中
- dirty：是否被写操作
- read/write：含有页或页表的存取权限
- pageSize：只应用于页目录项，和下一节扩展分页有关
扩展分页
允许页框大小为4M而不是4KB
- 这种情况下，不需要中间10位页表进行地址转换
- 作用：一页太小不好用，避免需要使用大段连续地址时需要过多页表项，占用内存
TLB
用于加快线性地址的转换。每个CPU都有自己的TLB
- 当cr3寄存器被修改时（进程切换），硬件会自动使TLB的所有项都无效
- 更新时机：当一个线性地址被第一次使用时，就加入TLB表项
- 懒惰TLB：避免TLB被刷新
- 情况：
- 使用相同页表集的两个进程之间进行切换
- 普通进程和内核线程进行切换
- 基本思想：如果几个CPU正在使用相同的页表，而且必须对这些CPU的一个TBL表项刷新，那么运行内核线程的CPU刷新可以延迟
- 如果下一次进程切换时，下一个进程使用不同的页表，更改cr3寄存器直接刷新TLB
- 如果下一次进程切换时，下一个进程使用相同的页表，那么这些延迟操作就得实施
- 情况：
