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地址转换
当我们在程序中读取一个变量时, 会有两个概念性的事情发生.
- 地址转换: 变量的地址要和物理地址对应起来
- 去物理地址读取内容. 由于存储体系有各种缓存, 需要从离CPU近的缓存开始找对应的内容.
地址
从程序员角度看, 常见的地址有编程语言中的指针地址, 汇编中的偏移量.
在操作系统中, 会有逻辑地址, 线性地址, 物理地址的不同概念.
在硬件中对应的是内存的存储单元.
指针是对地址的抽象, 具体表示什么, 和运行环境有关.
- 在嵌入式开发在没有MMU的情况下, 指针表示物理地址
- 一般表示逻辑地址.
各类地址概念
- 逻辑地址(logical address): 在机器语言中, 相对某个段的偏移. 段如 代码段, 数据段.
- 线性地址(linear address): 32位系统, 0-4G整数
- 物理地址(physical address): 对应在硬件芯片中的存储单元
为什么需要地址转换
应用程序变大后, 导致物理内存不够用, 不能直接将程序全部加载到内存中, 所以将想出来将应用程序用到的部分先加载的办法.
程序部分加载导致需要记录哪些部分已经加载, 哪些部分不用或暂时不用先保存到外部存储上, 这部分功能就演变成现在的地址转换和内存管理.
分页和分段
地址转换分为分页和分段.
从概念上看: 程序 -> 段 -> 页 -> 内存. 操作系统靠分页和分段完成程序地址到物理地址的转换.
- 操作系统用段管理程序, 段可以描述有逻辑相关的地址的集合, 如代码段, 数据段
- 操作系统按页管理内存资源, 页对应物理上相连的地址. 段的概念比页更抽象.
实现原理
硬件提供支持
- 分段单元: 逻辑地址到线性地址转换
- 分页单元: 线性地址到物理地址转换
- 不可编程的寄存器: 包含段描述符
- 高速缓存: 在分页单元和内存之间, 按行缓存内存
- TLB: 地址变换高速缓存, 缓存页表, 快速完成线性地址到物理地址的转换. (地址转换后援缓冲器 Translation Lookaside Buffer)
转换逻辑如下
- 原始的转换逻辑(在没有不可编程的寄存器和TLB参与的情况下), 逻辑地址需要经过分段单元和分页单元得到物理地址
- 不可编程的寄存器: 缓存会缓存当前段寄存器对应的段描述符, 可以直接计算线性地址
- TLB缓存页表可以加速线性地址到物理地址的计算. (分页单元访问页目录+页表,才能查到页地址)
- cache 按行(Cache Line)缓存内存的内容, 即不需要从内存中搬运数据到CPU (这里讲的是按物理地址缓存, 也有资料说cache可以按线性地址缓存)
--->|不可编程的寄存器|----- cache
| | ^
| V |
逻辑地址 --> |分段单元| --> 线性地址 --> |分页单元| --> 物理地址 --> 读写对应内存
| ^
|--------| TLB | ------|
分段单元: 从逻辑地址到线性地址
逻辑的地址 由 16位段选择器 + 32位段内偏移
- 段选择器保存段寄存器中
- 段描述表包含很多段描述符
- 段描述符: 8字节
- 表分全局描述符表(全局一个)和局部描述符表(一个进程一个)
- 段选择器指向 段描述表中的段描述符
- 段描述符记录了段的信息, 包括 段的起始地址
- 段的起始地址 + 32位段内偏移 = 线性地址
常用段寄存器:
- cs: 代码段寄存器
- ss: 栈段寄存器
- ds: 数据段寄存器
- es, fs, gs
寄存器复用套路: 先保存在内存中, 在使用新值, 在回复原值
优化: 存在不可编程的寄存器, 保存在段描述符, 在段寄存器没有发生变化时, 可以直接访问该不可编程的寄存器, 直接获得段信息
分页单元: 线性地址到物理地址
- 页: 指一系列线性地址, 也指一组地址中的值
- 页框: page frame, 指固定长度RAM. 页和页框长度一样. 页可以保存在页框中, 也可以被交换到磁盘上
- 页表: 记录线性地址到物理地址的对应数据结构. 放在RAM 中
- CR0 PG flag 是否开启分页
以32位地址为例 (64位系统, 会有多级页表, 原理一致)
- 目录 10位
- 页表 10位
- 偏移量 12位
转换过程
- CR3: 页目录表的物理地址
- 高10位, 从页目录表找到对应页表
- 中10位, 从页表中找到对应的页
- 偏移量 + 页地址 = 物理地址
TLB
- 线性地址在第一次使用时, 通过分页单元计算成物理地址, 将线性地址到物理地址的缓存的对应关系保存在TLB, 加速线性地址的转化
- 页目录的变化, TLB 失效. 一般由于进程使用的独立的页表, 在进程切换后, TLB失效.
- TLB 是操作系统可以控制, 需要操作系统调用指令使之失效.
高速缓存
- 单位: 按行 (如32字节)
- 内存和缓存数据传递
- 缓存的映射关系: 全相关, N路相关
- 高速缓存是操作系统不能控制的, 是否失效由CPU自行控制. 多CPU间还需要有复制的协议进行同步.
linux 系统
在地址转换上, 硬件提供基础功能(如分段单元, 分页单元) 把这些运算做到硬件上, 可以做到比软件计算更快.
操作系统需要维护下列数据结构:
- 全局描述符表: Global Descriptor Table. GDT 全局一个 (系统一个). 对应寄存器: gdtr
- 局部描述符表: Local Descriptor Table. LDT 一个进程一个: 对应寄存器: ldtr
- 页目录表
- 页表
linux (2.2 之后)把所有段的基地址(首字节地址)设置为0, 逻辑地址数值上和线性地址一样.
转换图
权限检测
- CPU运行的特权位记录在 cs 寄存器中
- 对应地址的访问权限记录在对应的页表, 缓存记录等中的对应位置
- 权限的检测是硬件自动完成的.
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