11内存管理子系统.ppt
内存管理子系统,内存管理子系统,内存是Linux内核所管理的最重要的资源之一，内存管理子系统是操作系统中最重要的部分之一。对于立志从事内核开发的工程师来说，熟悉Linux的内存管理系统非常重要。,地址类型,物理地址 线性地址（虚拟地址） 逻辑地址 他们之间的关系？,物理地址,物理地址是指出现在CPU外部地址总线上 的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在汇编程序中使用的地址。,线性地址,线性地址又名虚拟地址，在32位CPU架构下，可以表示4G的地址空间，用16进制表示就是0x00000000到0xffffffff。,地址转换,CPU要将一个逻辑地址转换为物理地址， 需要两步：首先CPU利用段式内存管理单 元，将逻辑地址转换成线程地址，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。,段式、页式管理,什么是段式管理？ 什么是页式管理？,段式管理(16位CPU),16位CPU内部拥有20位的地址线，它的寻 址范围就是2的20次方，也就是1M的内存 空间。但是16位CPU用于存放地址的寄存 器（IP，SP）只有16位，因此只能访 问65536个存储单元，64K。,段式管理(16位CPU),为了能够访问1M的内存空间，CPU就采用了内存分段的管理模式，并在CPU内部加入了段寄存器。16位CPU把1M内存空间分为若干个逻辑段，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 倍数，即最后4个二进制位必须全为0。 2、逻辑段的最大容量为64K(why?),段式管理(16位CPU),物理地址的形成方式： 由于段地址必须是16的倍数，所以值的一般形式 为XXXX0H，即前16位二进制位是变化的，后四 位是固定的0，鉴于段地址的这种特性，可以只保 存前16位二进制位来保存整个段基地址，所以每 次使用时要用段寄存器左移补4个0（乘以16）来 得到实际的段地址。,段式管理(16位CPU),在确定了某个存储单元所属的段后，只是 知道了该存储单元所属的范围（段地址- 段地址+65536)，如果想确定该内存单元的 具体位置，还必须知道该单元在段内的偏 移。有了段地址和偏移量，就可以唯一的 确定内存单元在存储器中的具体位置。,段式管理(16位CPU),逻辑地址=段内偏移量 由逻辑地址得到物理地址的公式为：PA=段寄存器的值*16+逻辑地址 为什么要乘16?,段式管理(16位CPU),段寄存器是为了对内存进行分段管理而增加 的，16位CPU有四个段寄存器，程序可同 时访问四个不同含义的段。 1)CS+IP:用于代码段的访问，CS指向存放 程序的段基址，IP指向下条要执行的指令在 CS段的偏移量，用这两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。,段式管理(16位CPU),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，可以通过SS 和SP两个寄存器直接访问栈顶单元的内存 物理位置。,段式管理(16位CPU),3)DS+BX：用于数据段的访问。DS中的值 左移四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 左移四位得到附加段起始地，再加上BX中 的偏移量，得到一个存储单元的物理地址。,段式管理(32位CPU),32位pc的内存管理仍然采用“分段”的管理 模式，物理地址同样由段地址和偏移量两部 分组成，32位pc的内存管理和16位pc 内存管理有相同之处也有不同之处，因为 32位pc采用了两种不同的工作方式：实模 式和保护模式。,段式管理(32位CPU),1）实模式 在实模式下，32位CPU的内存管理与16位CPU是 一致的。 2)保护模式 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”(Selector)，用 该“选择器”从内存中得到一个32位的段地址，存 储单元的物理地址就是该段地址加上段内偏移 量，这与16位CPU的物理地址计算方式完全不同。,段式管理(32位CPU),32位CPU内有6个段寄存器，其值在不同 的模式下具有不同的含义： 1、在实模式下： 段寄存器的值*16就是段地址 2、在保护模式下： 段寄存器的值是一个选择器，间接指出一 个32位的段地址,段式管理(32位CPU),分页管理(32位CPU),从管理和效率的角度出发，线性地址被分为固定长度的组，称为页(page)，例如32位的机器，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。,分页管理,另一类“页”，称之为物理页，或者是页框、 页桢。分页单元把所有的物理内存也划分为 固定长度的管理单位，它的长度一般与线性 地址页是相同的。,分页管理,分页管理,分页管理,1、分页单元中，页目录的地址放在CPU的cr3寄存器中，是进行地址转换的开始点。 2、每一个进程，都有其独立的虚拟地址空间，运行一个进程，首先需要将它的页目录地址放到cr3寄存器中。 3、每一个32位的线性地址被划分为三部份：页目录索引(10位)：页表索引(10位)：偏移(12位),分页管理,依据以下步骤进行地址转换： 1、装入进程的页目录地址（操作系统在调度进程时，把这个地址装入CR3） 2、根据线性地址前十位，在页目录中，找到对应的索引项，页目录中的项是一个页表的地址 3、根据线性地址的中间十位，在页表中找到页的起始地址 4、将页的起始地址与线性地址的最后12位相加，得到物理地址,分页管理,这样的二级模式是否能够覆盖4G的物理地 址空间？为什么？（通过计算得出结论） 页目录共有：210项，也就是说有这么多 个页表；每个目表对应了：210页；每个 页中可寻址：212个字节。232=4GB,
