自己整理的linux内存管理子系统

4-4 linux内存管理子系统

4-4-1 linux内存管理（参考课件）

物理地址：cpu地址总线上寻址物理内存的地址信号，是地址变换的最终结果

逻辑地址：程序代码经过编译后，出现在汇编程序中的地址（程序设计时使用的地址）线性地址：又名虚拟地址，32位cpu架构下4G地址空间

CPU要将一个逻辑地址转换为物理地址，需要两步：

1、首先CPU利用段式内存管理单元，将逻辑地址转换成线性地址；

2、再利用页式内存管理单元，把线性地址最终转换为物理地址

相关公式：

逻辑地址=段基地址+段内偏移量(段基地址寄存器+段偏移寄存器)（通用的）

16位CPU：逻辑地址=段基地址+段内偏移量(段基地址寄存器+段偏移寄存器)

线性地址=段寄存器的值×16+逻辑地址的偏移部分

物理地址=线性地址（没有页式管理）

32位CPU：逻辑地址=段基地址+段内偏移量(段基地址寄存器+段偏移寄存器)

线性地址=段寄存器的值+逻辑地址的偏移部分

物理地址<——>线性地址（mapping转换）

ARM32位：逻辑地址=段基地址+段内偏移量(段基地址寄存器+段偏移寄存器)

逻辑地址=段内偏移量（段基地址为0）

线性地址=逻辑地址=段内偏移量（32位不用乘以32）

物理地址<——>线性地址（mapping转换）

************************!!以下都是x86模式下!!********************************* 段式与页式存储管理的比较如下表所示。

段式

页式

分段由用户设计划分，每段对应一个相应的的程序模块，有完整的逻辑意义。分页用户看不见，由操作系统为内存管理划分。

段面是信息的逻辑单位

页面是信息的物理单位

便于段的共享，执行时按需动态链接装入。

页一般不能共享

段长不等，可动态增长，有利于新数据增长。

页面大小相同，位置不能动态增长。

二维地址空间：段名、段中地址；段号、段内单元号

一维地址空间

管理形式上象页式，但概念不同

往往需要多次缺页中断才能把所需信息完整地调入内存

实现页（段）的共享是指某些作业的逻辑页号（段号）对应同一物理页号（内存中该段的起始地址）。页（段）的保护往往需要对共享的页面（段）加上某种访问权限的限制，如不能修改等；或设置地址越界检查，对于页内地址（段内地址）大于页长（段长）的存取，产生保护中断。

一、段式管理

1.1、16位CPU：（没有页式管理）

1.1.1、段式管理的由来：

16位CPU内部有20位地址总线，可寻址2的20次方即1M的内存空间，但16位CPU 只有16位的寄存器，因此只能访问2的16次方即64K。因此就采用了内存分段的管理模式，在CPU内部加入了段寄存器，这样1M被分成若干个逻辑段，每个逻辑段的要求如下：

1、逻辑段的起始地址（段地址）必须是16的整数倍，即最后4个二进制位须全是0 (因此不必保存)。

2、逻辑段的最大容量为64K。

段寄存器是为了对内存进行分段管理而增加的，16位CPU有4个段寄存器，程序可同时访问4个不同含义的段。

1、CS+IP：用于代码段的访问，CS指向存放程序的段基地址，IP指向下条要执行的执行在CS端的偏移量，用这2个寄存器就可以得到一个内存物理地址，该地址存放着一条要执行的指令。

2、SS+SP：用于堆栈段的访问，SS指向堆栈段的基地址，SP指向栈顶了，可以通过SS和SP两个寄存器直接访问栈顶单元的内存物理地址。

3、DS+BX：用于数据段的访问。DS中的值左移4位得到数据段起始地址，再加上BX中的偏移量，得到一个存储单元的物理地址。

4、ES+BX：用于附加段的访问。ES中的值左移4位得到附加段起始地址，再加上BX中的偏移量，得到一个存储单元的物理地址。

三、32位CPU

2种工作模式：实模式和保护模式

1、实模式下，32位内存管理和16位CPU是一致的。

2、段基地址长达32位，每个段的最大容量4G，段寄存器的值是段地址的“选择器”，用该选择器从内存中得到一个32位的段地址，存储器单元的物理地址就是该段地址加上段内偏移量。得到线性地址空间。

从管理和效率的角度出发，线性地址被分为固定长度的组，成为页，例如32位机器，线性地址最大可为4G，如果用4KB为一个页来划分，这样整个线性地址就被划分为2的20次方个页。

线性地址通过映射关系得到物理地址。

四、linux段管理

所有段的基地址为0，每个段的逻辑地址空间范围为0~4G，因为每个段的基地址为0，因此，逻辑地址到线性地址映射不变，在Linux中所提到的逻辑地址和线性地址指的也就是同一地址。看来，linux巧妙的把段机制给绕过去了，完全利用了分页机制。

linux2.6.29采用四级页管理架构。

1.1.2、物理地址的形成方式：

段地址：将段寄存器中的数值左移4位补4个0（乘以16），得到实际的段地址。

段偏移：在段偏移寄存器中。

1）逻辑地址=段基地址+段内偏移量(段基地址寄存器+段偏移寄存器)

2）由逻辑地址得到物理地址的公式为：（因为没有页式管理，所以这一步就得到了物理地址）物理地址PA=段寄存器的值×16+逻辑地址的偏移部分(注意!!)(段与段可能会重叠)

按段式管理能访问2的32次方共4GB 的空间（2的16次方个段，每个段可以为2的16次方byte的大小），但是只有20位地址总线，因此只能访问1M的内存。

1.2、32位CPU：

1)实模式：

与16位时是一样的

段寄存器的值×16就是段地址

2)保护模式：

段寄存器的值是一个选择器，间接指出一个32位的段地址

段基地址长达32位，每个段的最大容量可达4G，段寄存器的值是段地址的“选择器”(segment selector),用该“选择器”从内存（segment descriptor）中得到一个32位的段地址，存储单元的线性地址就是段地址加上段内偏移量，这与32位CPU的物理地址的计算方式完全不同。