記憶體定址

計算機管理記憶體的基本方式有兩種：段式管理和頁式管理。而在使用80x86微處理器時，記憶體地址分為三個不同的地址：邏輯地址，線性地址，物理地址。

基本介紹

• 中文名：記憶體定址
• 分類：邏輯地址、線性地址、物理地址

概述

記憶體定址是指CPU允許支持的記憶體大小。雙通道記憶體技術其實是一種記憶體控制和管理技術，它依賴於晶片組的記憶體控制器發生作用，在理論上能夠使兩條同等規格記憶體所提供的頻寬增長一倍。當計算機面臨大量的數據流時，32位的暫存器和指令集不能及時進行相應的處理運算。32位處理器一次只能處理32位，也就是4個位元組的數據；而64位處理器一次就能處理64位，即8個位元組的數據。舉例來說，32位好像是腳踏車道，當車流過大的時候，就會無法承載，而64位好比高速公路，在多任務，多程式處理的情況下，64位計算平台能隨意加速、把電腦性能發揮到極致。

理論上來說 32位定址能力為4GB 64位定址能力為16777216TB(1TB=1024GB)

基本概念

下面介紹一些記憶體定址中的基本概念。

CPU段式管理

段式管理的基本原理是指把一個程式分成若干個段（segment）進行存儲，每個段都是一個邏輯實體（logical entity）。一個用戶作業或進程所包含的段對應一個二維線形虛擬空間，程式通過分段(segmentation)劃分為多個模組，故可以對程式的各個模組分別編寫和編譯。段式管理程式以段為單位分配記憶體，然後通過地址影射機構把段式虛擬地址轉換為虛擬地址。

CPU頁式管理

頁式管理的基本原理將各進程的虛擬空間劃分成若干個長度相等的頁(一般為4K)，頁式管理把記憶體空間按頁的大小劃分成片或者頁面（page frame），然後把頁式虛擬地址與記憶體地址建立一一對應頁表，並用相應的硬體地址變換機構，來解決離散地址變換問題。

邏輯地址

包含在機器語言指令中用來指定一個運算元或一條指令的地址，每個邏輯地址都由一個段和偏移量組成，表示為[段標識符：段內偏移量]。例如，在C/C++程式中我們使用指針對變數地址操作，該地址就是邏輯地址（準確的應該說是邏輯地址的段內偏移量）。對應上述段式管理，邏輯地址是段式管理轉換前的程式地址。

線性地址

也稱為虛擬地址，它是一個32位無符號整數，故可以用來表達高達4GB的地址。線性地址同邏輯地址一樣也是不真實的地址。對應上述頁式管理，線性地址是頁式管理轉換前的地址。

物理地址

用於記憶體晶片級記憶體單元定址，與處理器和CPU連線的地址匯流排相對應。一般情況下，我們說的計算機記憶體條中的記憶體就是它（雖然不準確）。

有了上述的基本概念後，很顯然，CPU將一個虛擬記憶體空間中的地址轉換為物理地址，需要進行兩步：首先將給定一個邏輯地址，CPU要利用其段式記憶體管理單元，先將每個邏輯地址轉換成一個執行緒地址，再利用其頁式記憶體管理單元，轉換為最終物理地址。這就是我們所知道的段頁式管理，這樣兩次轉換的好處可以克服段式管理和頁式管理的缺點。

段式記憶體管理

邏輯地址由兩部分組成：一個段標識符和一個指定段內相對地址的偏移量（簡稱偏移量），[段標識符: 段內偏移量]。

段標識符是由一個16位長的欄位組成，稱為段選擇符，由處理器提供段暫存器來存放段標識符，段暫存器有6種：

（1）cs代碼段暫存器，指向包含程式指令的段；

（2）ss棧暫存器，指向包含當前程式的段；

（3）ds數據段暫存器，指向包含靜態數據或者全局數據段；

（4）其他三個暫存器es, fs, gs稱為附加段暫存器，作一般用途，可以指向任意的數據段。

偏移量指明了從段開始的地方到實際地址之間的距離，偏移量為32位。

段描述符中我們需要關注的欄位為：Base，它描述了一個段的開始位置的線性地址。

段描述符放在全局描述符表（GDT，存放於gdtr暫存器中）或局部描述符表（LDT，存放於ldtr暫存器中）中，通常只定義一個GDT，而每個進程除了存放在GDT中的段之外如果還學要創建附加的段，就可以有自己的LDT。。

好了，通過上述的講解，我們就可以關注一個邏輯地址是怎樣轉化成相應的線性地址的，具體步驟如下：

（1）先檢查邏輯地址的段選擇符的TI欄位，以決定段描述符保存在哪一個描述符表中。（TI=0表明在GDT中，TI=1表明存在LDT中）

（2）根據段選擇符的索引號，計算查找段描述符的地址，方法：索引號*8 + gdtr或者ldtr暫存器中的內容 = Base。

（3）把邏輯地址的偏移量與步驟（2）中得到的Base欄位值相加就可以得到其對應的線性地址。

頁式記憶體管理

首先，我們得知道一些線性地址相關的東西。

（1）線性地址被分成固定長度為單位的組，稱為頁。頁內部連續的線性地址被映射到連續的物理地址中。

（2）分頁段元把所有的物理地址分成固定長度的頁框，稱為物理頁。

（3）線性地址映射到物理地址的數據結構稱為頁表。

（4）32位的線性地址，被分成3個域：目錄（Directory）高10位，頁表（Table）中間10位，偏移量（Offset）低12位，由偏移量的12bit可知，每頁含有4096位元組的數據。

線性地址的轉換分兩步完成，每一步都基於一種都基於一種轉換表，第一種轉換表稱為頁目錄錶轉換，第二種轉換稱為頁錶轉換。使用這種二級模式的目的在於減少每個進程頁表所需的RAM的數量。

轉換步驟：

（1）從cr3中取出進程的頁目錄地址（作業系統負責在調度進程的時候，把這個地址裝入對應暫存器）；
（2）根據線性地址前十位，在數組中，找到對應的索引項，因為引入了二級管理模式，頁目錄中的項，不再是頁的地址，而是一個頁表的地址。（又引入了一個數組），頁的地址被放到頁表中去了。
（3）根據線性地址的中間十位，在頁表（也是數組）中找到頁的起始地址；
（4）將頁的起始地址與線性地址中最後12位相加，得到最終我們想要的其對應的物理地址。