X86的存储器管理.ppt

P DPL DT
出现； 描述符特权级； 描述符类型；
说明： 段基址32位 段限量20位 其它12位
段基地址：用来确定段在存储器的起始地址。对 80286，段基地址为24位，段可在16MB线性空间任 何字节处起始；对80386和80486，段基地址为32位， 段可在4GB线性空间任何字节处起始。
说明：
系统的GDT和LDT均是一个长度不定的数据结构， 它们各自最少包括一个，最多包括8192个段描述符。 GDT中的第一个描述符为空描述符，一般不用。
4 段选择器
定义：保护方式下，段选择器是一个16位的指向 操作系统定义的段信息的指针。高13位作为索引， 低3位为特征位。 80386/80486CPU 的段选择器有6个：
CS；SS；DS ES；FS；GS
15
索引
32 1 0
TI RPL 段选择器
TI=0
TI=1
8192项
8192项
说明： 全局描述符表第一 个项目不用，为空 描述符。
全局描述 局部描述
符表
符表
说明：
RPL：请求特权级别，共4级。 RPL=00b时,选择器的请求特权级最高; RPL=11b时,选择器的请求特权级最低。
全局描述符表寄存器GDTR
基地址
限量
80286-24位 80386/80486-32位
16位
局部描述符表寄存器LDTR
选择器
基地址
限量
16位
80286-24位
16位
80386/80486-32位
系统启动初始化时，GDT的基址和限量将加载至 全局描述符表寄存器GDTR，执行某一任务时，将加 载能找到该任务的局部描述符表的选择子至局部描述 符表寄存器中。该任务在存储器中的位置由GDT中的 LDT描述符确定。
表中最多包含8192个（ 213 ）描述符，每个描 述符占8个字节。表格限度64KB（ 213×23 ） 。
（2）局部描述符表（LDT）
局部描述符表包含的是某一个任务都能访问的 段的描述符。包括代码段，数据段，堆栈段的描述 符，也可包含此任务使用的一些控制描述符。这些 描述符为每一个任务单独所有。每个局部描述符表 构成一个段，也有一个描述符描述，该描述符放在 GDT中。
保护方式下的逻辑地址被称为虚拟地址，段地址 可以不在实存储器上。
保护方式下的段寄存器被称为段选择器，其内容 为段选择符（子），虚拟地址由段选择子（16位）和 地址偏移量（32位）组成。
虚拟地址的格式为：
段选择子：地址偏移量
二、保护方式下存储器的分段管理
1、保护方式下的寻址机制
在保护方式下，存储器的寻址机制和实方式 不同。保护方式下的某一个存储单元用虚拟地 址表示，虚拟地址中的选择子为一操作系统定 义的指向有关段信息的一个指针。依据选择子 即可得到该段的段基址。 若存储器启用分页机制，还须经分页机构将 线性地址变换为物理地址。
存储段描述符类型
类型
说明
0 只读
1 只读，已访问
2 读/写
3 读/写，已访问
4 只读，向下扩展
5 只读，向下扩展，已访问
6 读/写，向下扩展
7 读/写，向下扩展，已访问
类型
说明
8 只执行
9 只执行，已访问
10 执行/读
11 执行/读，已访问
12 只执行，一致码段
13 只执行，一致码段，已访问
14 执行/读，一致码段
3、描述符表
段描述符表是包含段描述符的表格。有三种段 描述符表：
全局描述符表（GDT） 局部描述符表（LDT） 中断描述符表（IDT）
在整个系统中，全局描述符表和中断描述符表 各只有一个，而局部描述符表有若干个，每一个任 务对应一个。
（1）全局描述符表（GDT）
全局描述符表包含的是每一个任务都能访问的 段描述符。包括操作系统使用的代码段，数据段， 堆栈段的描述符，各任务的TSS段描述符以及系统 中所有任务的、关于LDT的描述符等。
当G=0时，段限量以字节为单位，段上边界为1MB。
当G=1时，段限量以页为单位，段上边界为4GB。
DT位（1位）：描述符类型位。 当DT=1时，表示为段描述符；
当DT=0时，表示为一个特殊描述符或门描述符。
DPL位（2位）：为描述符特权级域，用来实现保 护而不用于地址生成。4级特权。0特权级最高；3特 权级最低。
TI：表格指示，和索引配合使用。
当TI=0时，选择器指向的段是系统的全局地 址空间的一部分，此时与高13位索引一起指 向全局段描述表GDT中的一项。
当TI=1时，选择器指向的段是一个特定程序 或任何的局部地址空间的一部分，此时与高 13位索引一起指向局部段描述表LDT中的一项。
在保护方式下，对80286，偏移量为 16位，每个段最大为64KB，
虚拟地址空间由存储器的分段机构和 分页机构进行管理。
线性地址=段基址+偏移量
分段机构将虚拟地址变换为线性地址 分页机构将线性地址变换为物理地址
在保护方式下，一个存储单元的地址也 是由段基地址和段内偏移量组成，但段基地 址并不由段寄存器直接获得。保护方式下专 门有一个8字节的描述符来描述段的基地址、 限量和段的其它属性，而描述符则保存在由 段描述符组成的表格即描述符表中，在描述 符表中取出某段的描述符即可获得该段的所 有信息（包括段地址）。
分段的好处：
便于程序的编写，逻辑地址使用方便， 灵活。
存储器便于管理，支持程序的动态定位。 防止程序，数据相互覆盖。
二、物理地址的形成
实方式下，程序对存储器的访问采用分段地 址，分段地址由一个段值和一个有效地址偏移量 值组成，又称逻辑地址：
段值：偏移量
段值由段寄存器的内容决定，表示一个物理 段的起始地址，又称段地址
CPU具体寻址过程如下：
加载段寄存器
查段描述符表
取段描述符
取段基址
线性地址=段基址+偏移量
32位段基址和32位段内偏移量形成的地址称为线性地 址。
寻址过程示意图
加载
选择子 偏移量 32位
32位线性地址
存取权 界限
段基址
段描述符
32位段基址
界限 4GB
2、描述符
（1）在保护虚地址方式下的每一个段都有一个相 应的描述符。 段描述符是描述某一个段的各种信息的特殊的字 段。 段描述符由8个字节组成，包含了该段的32位段基 址和20位段限量及有关属性。
第五章 存储器管理
1 实方式存储器管理 2 保护方式存储器管理 3 保护及任务切换 4 虚拟8086方式
存储器管理是微处理器提供的对系统存储器资源进 行管理的机制。 目的：方便软件程序对存储器的应用。
8086CPU管理存储器只有一种方式：
实方式
80286CPU管理存储器有两种方式：
实方式
保护虚地址方式
80386以上CPU管理存储器有三种方式：
实方式 保护虚地址方式
虚拟8086方式
系统复位后初始化，进入实地址方式。
5.1 实方式存储器管理
一、 存储器的分段结构
软件运行时，指令与数据装入内存中， 指令与数据具有相对独立性，各程序之间也 具有相对独立性，为便于管理，它们各占据 相对独立的内存空间：一个程序可拥有几个 段，不同的程序占据不同的几个段，形成内 存的分段管理结构。
段限量：用来确定段的尺寸。对80286，段限量 为16位无符号数，段的最大尺寸为64KB；对80386 和80486，段限量由上表中20位无符号数和表中粒 度G共同确定。若G设为字节粒状，段限量以字节为 单位，若设为页粒状，段限量以页为单位，一页为 4KB，段的尺寸为4KB-4GB。
G位（1位）：粒度位，在80386，80486中，它用 来指定段的单位。
（2）段描述符的分类
描述符分为两大类，如下图所示：
描述符
段描述符
一般的段描述符 特殊的段描述符
堆栈（地址向下扩展） 数据
非堆栈（地址向上扩展） 代务门描述符
门描述符
调用门描述符 中断门描述符
陷阱门描述符
说明： TSS:任务状态段描述符 LDT:LDT描述符门：用 于程序间转移，任务间 转移的一种接口
15 执行/读，一致码段，已访问
数据段
代码段
相容的段寄存器和段类型
段寄存器
只读
DS，ES，FS，GS
是
SS
否
CS
否
段类型
读/写 只执行 执行/读
是
否
是
是
否
否
否
是
是
特殊的段描述符及门描述符格式如下：
类型域值 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 AH BH CH DH EH FH
位设置 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
存储器的分页管理
一 、特点：
1、引入了保护机制，使段大小得以扩充，但段的 使用受到限制。
2 、结合分段机制，引入了虚拟存储器的概念。 3、支持多用户多任务操作系统。
虚拟存储器：
基于存储器分段的结构，把外存作为内存的延 伸进行统一管理所构成的存储器空间。任何时候系 统只需把与正在运行的程序相关的一小部分虚拟地 址空间映射到内存，其余部分仍留在外存上，内存 和外存统一构成虚拟存储空间。是一种能提供比实 际内存大得多的存储器空间技术。
起始地址＝段值×10H 有效地址偏移量EA，其值为寻址字节距离基 地址（段地址）的距离。最大值为64K，即段的 最大空间。
物理地址＝段值×10H+偏移地址
例如：某存储单元的逻辑地址为：1BA4：204E 其实际地址应为：1BA40+204E=1DA8E