X86的存储器管理.ppt
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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。
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。
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。
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：
描述符 保留 可用的16位TSS LDT 16位TSS忙 16位调用门 16位任务门 16位中断门 16位陷阱门 保留 可用的32位TSS 保留 32位TSS忙 32位调用门 保留 32位中断门 32位陷阱门
当DT=0 时，表 示为为 一个特 殊描述 符或门 描述符
说明： 2，5，8－F 用于386 其它用于286
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。
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）。
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。
可提供的虚拟存储空间最大为1GB。
（2×213×216＝230）
对80386和80486，偏移量为32位， 每个段最大为4GB，
可提供的虚拟存储空间最大为64TB。
（2×213×232＝246）
5、描述符表寄存器
是用来保存描述符表（GDT、IDT、LDT）基地址和 限量的寄存器。
描述符表寄存器分为全局描述符表寄存器GDTR、 中断描述符表寄存器IDTR和局部描述符表寄存器LDTR， 结构如下：
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
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
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。
（2）段描述符的分类
描述符Biblioteka Baidu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） 代码 TSS描述符
LDT描述符
任务门描述符
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
P位（1位）：为存在位。 当P=1时，表示描述符描述的段存在于内存储器中； 当P=0时，表示描述符描述的段不存在于内存储器中。
D位（1位）：缺省操作尺寸位，只在80386， 80486中使用。 当D=0时，表示操作数和有效的缺省值为16位； 当D=1时，表示操作数和有效的缺省值为32位。
AVL位（1位）：可用位，只在80386，80486中使 用。用来确定是否允许对存储器映象的I/O口实现保 护。
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。
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，
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。
段描述符格式
AVL DT
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
基地址（24—31） G D 0
段限量
（16—19）
在80286上，这一字 必须置为0 ， 以便向 上兼容
P DPL
类型 基地址（16—23）
基地址（0—15）
段限量（0—15）
域 描述
G 粒度； D 缺省； AVL 可用；
表中最多包含8192个（ 213 ）描述符，每个描述 符8个字节。表格限度64KB（ 213×23 ）。
（3）中断描述符表（IDT）
理论上最多包含8192项描述符，每项描述符8 个字节。表格限度64KB，但对32位处理器，最多 只能处理256个中断向量，故中断描述符表最多包 含256项中断描述符。
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
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。
类型（4位）：用来区分不同的段描述符格式。
段类型
当DT=1时，表示为段描述符
ST
ST位的设置决定
如何解释其它域
代码段 （ST=1）
1 CRA
数据段 （ST=0）
0 E WA
可访问的（1=YES） 可读的（1=YES） 一致的（1=YES）
可访问的（1=YES） 可写的（1=YES）
向下扩展（1=YES） （对正常数据E=0）
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
行到任何程序上，运行的程序不分特权级别。 4 不能实现多任务，是系统复位向保护虚地址
方式过渡的一种方式。
5.2 保护方式存储器管理
系统启动或复位后，首先进入实方式。在实方 式下，初始化GDT和IDT及两级页表，加载CR3和 CR0，使PE位置1，进入保护虚地址方式。保护方 式下存储器管理分为：
存储器的分段管理
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。
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。
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
三、实方式的特点： 1 只使用地址总线的低20位，寻址空间为1MB。 2 采用分段的存储器结构。 3 无保护机制，存储空间的任何区域都可被运
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。
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。
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。
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：
描述符 保留 可用的16位TSS LDT 16位TSS忙 16位调用门 16位任务门 16位中断门 16位陷阱门 保留 可用的32位TSS 保留 32位TSS忙 32位调用门 保留 32位中断门 32位陷阱门
当DT=0 时，表 示为为 一个特 殊描述 符或门 描述符
说明： 2，5，8－F 用于386 其它用于286
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。
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）。
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。
可提供的虚拟存储空间最大为1GB。
（2×213×216＝230）
对80386和80486，偏移量为32位， 每个段最大为4GB，
可提供的虚拟存储空间最大为64TB。
（2×213×232＝246）
5、描述符表寄存器
是用来保存描述符表（GDT、IDT、LDT）基地址和 限量的寄存器。
描述符表寄存器分为全局描述符表寄存器GDTR、 中断描述符表寄存器IDTR和局部描述符表寄存器LDTR， 结构如下：
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
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
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。
（2）段描述符的分类
描述符Biblioteka Baidu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） 代码 TSS描述符
LDT描述符
任务门描述符
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
P位（1位）：为存在位。 当P=1时，表示描述符描述的段存在于内存储器中； 当P=0时，表示描述符描述的段不存在于内存储器中。
D位（1位）：缺省操作尺寸位，只在80386， 80486中使用。 当D=0时，表示操作数和有效的缺省值为16位； 当D=1时，表示操作数和有效的缺省值为32位。
AVL位（1位）：可用位，只在80386，80486中使 用。用来确定是否允许对存储器映象的I/O口实现保 护。
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。
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，
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。
段描述符格式
AVL DT
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
基地址（24—31） G D 0
段限量
（16—19）
在80286上，这一字 必须置为0 ， 以便向 上兼容
P DPL
类型 基地址（16—23）
基地址（0—15）
段限量（0—15）
域 描述
G 粒度； D 缺省； AVL 可用；
表中最多包含8192个（ 213 ）描述符，每个描述 符8个字节。表格限度64KB（ 213×23 ）。
（3）中断描述符表（IDT）
理论上最多包含8192项描述符，每项描述符8 个字节。表格限度64KB，但对32位处理器，最多 只能处理256个中断向量，故中断描述符表最多包 含256项中断描述符。
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
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。
类型（4位）：用来区分不同的段描述符格式。
段类型
当DT=1时，表示为段描述符
ST
ST位的设置决定
如何解释其它域
代码段 （ST=1）
1 CRA
数据段 （ST=0）
0 E WA
可访问的（1=YES） 可读的（1=YES） 一致的（1=YES）
可访问的（1=YES） 可写的（1=YES）
向下扩展（1=YES） （对正常数据E=0）
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
行到任何程序上，运行的程序不分特权级别。 4 不能实现多任务，是系统复位向保护虚地址
方式过渡的一种方式。
5.2 保护方式存储器管理
系统启动或复位后，首先进入实方式。在实方 式下，初始化GDT和IDT及两级页表，加载CR3和 CR0，使PE位置1，进入保护虚地址方式。保护方 式下存储器管理分为：
存储器的分段管理
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。
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。
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
三、实方式的特点： 1 只使用地址总线的低20位，寻址空间为1MB。 2 采用分段的存储器结构。 3 无保护机制，存储空间的任何区域都可被运