计算机系统基础 5 物理地址的形成

news2024/11/29 12:32:19

历史

早期，程序员自己管理主存，通过分解程序并覆盖主存的方式执行程序

        取指令和存储操作数所有的地址都是物理地址；
        执行速度快，无需进行地址转换；
        未采用虚拟存储机制。

1961年有人提出自动执行overlay的方式，把程序员从大量繁琐的存储管理工作中解放出来，使得程序员编程时不用管主存容量的大小。

基本思想

把地址空间和主存容量的概念区分开来，程序员在地址空间里编写程序，程序则在真正的内存中运行;
由一个专门的机制实现地址空间和实际主存之间的映射；
CPU 中的 MMU (Memory Management Unit) 负责将逻辑地址（即虚拟地址）转换为内存的物理地址。

逻辑地址（即虚拟地址）转换为内存的物理地址的方式：

分页式

分段式

段页式

分段

根据程序的模块化性质，按程序的逻辑结构划分成多个相对独立的部分，称为段；

        一个程序可以有多个代码段；

        一个程序可以有多个数据段；

        段通常有段名、段起点、段长、段属性等信息

C语言程序中，变量的定义和指令写在一起，无分段的概念

机器语言层次上，是要分段的：在C程序编译时，将变量的空间分配和指令分开，分别放在不同段中。

主存分段管理

在分段内存模型中，每个分段通常加载不同的分段选择器，以便每个段寄存器指向线性地址空间内的不同段。

主存物理地址的形成

实方式

物理地址＝（段寄存器）左移4位＋偏移地址

32位CPU与8086一样，只能寻址1M物理存储空间
可以访问6个段：CS, DS, SS, ES, FS, GS，每个段至多64K
段开始单元的物理地址 /16➡段址

段中某一存储单元的地址用两部分表示——“段首地址：偏移地址”，称二维的逻辑地址。

8086中，只有4个段寄存器 CS, DS, ES, SS

在代码段中取指令时：指令物理地址 PA= (CS) 左移四位 + (IP) ，使用的是IP, 而不是EIP
在数据段中读/写数据时：数据的物理地址 PA = (DS或ES)左移四位 + 16位偏移地址 (偏移地址由寻址方式确定)
在堆栈操作时：栈顶的物理地址 PA = (SS) 左移四位 + (SP)

保护方式

在多任务环境下，系统中有多个程序在运行，程序之间要隔离。

分段是存储管理的一种方式，为保护提供基础，不同程序在不同段中，一个程序可以包含多个段，段用于封闭具有共同属性的存储区域；

描述符

存放为保护一个段需要的信息

段的起始位置（段基地址）
段的大小（段界限）
段的特权级
段的属性（是代码段、数据段还是堆栈段？数据段是否可写？代码段是否可读出？）
段的位置（在内存还是在磁盘？）
段的类型（在系统段还是用户段？）
段的使用（段被访问过，还是没有？）

描述符表

描述符的集合。

局部描述符表：一个LDT，是一个系统段，最大可为64KB，最多可存放8192个描述符。

对每一个程序，都建立一个局部描述符表(LDT)。

        全局描述符表：只有一个。GDT最大可为64KB，存放8192个描述符。包括：

        操作系统所使用的段的描述符；
        各个LDT段的描述

保护方式下物理地址的形成

1——从虚拟地址到线性地址

xxxx： cs、ds、ss、es、fs、gs
xxxx : yyyyyyyy 到线性地址的映射

xxxx指出找相应段描述符的方式，称段选择符。

1. TI 位为 0 (操作系统段)

• 从 GDTR 寄存器中获取 GDT 的基址；

• 在 GDT 表中 , 以 XXXX 的高 13 位作为索引，取出一个描述符 A ；

• 描述符 A 中的段基地址＋ yyyyyyyy : 为要访问单元的 线性地址。

2. 若TI 位为 1 (用户程序段)

• 从 GDTR 寄存器中获取 GDT 的基址；

• 在 GDT 表中 , 以 LDTR 的高 13 位作为索引，取出一个描述符 A ；

• 描述符 A 描述的段为一个 LDT 段 (LDT_A ) ；

• 用 XXXX 的高 13 位，作为索引，在 LDT_A 段中找到描述符 P_A 。

• P_A 描述段的基址＋ yyyyyyyy 为 线性地址。