1.GDT

我们回顾一下实际的操作系统的内存关系:

​ $$\text{程序/进程}\stackrel{段表}{\underset{\text{映射}}{\to }}\text{逻辑地址}\stackrel{段基址+偏移地址}{\underset{\text{segment unit}}{\to }}\text{虚拟地址}\stackrel{页表}{\underset{\text{page unit}}{\to }}\text{物理内存地址}$$

这里有一个重要的概念虚拟内存,这个概念是面向软件程序而言,他们希望程序是连续的地址,一段一段的,注意,在32位系统里,一个program仅有3G,(还有1G OS程序占据)

而逻辑地址 由 两个部分组成 Segment Selector 和 Offset(偏移地址)

其中Segment Selector 指向 Segment Descriptor，一个 Segment Descriptor 完整的描述了一个 Segment 既段的信息.

因为程序中一般将一个程序所使用的部分分为程序段，数据段，堆段和栈段等,这里面每一个段也就会有相应的Base,执行中也会Offset(即Linear Address)

Segment Descriptor

段通过段描述(Segment Descriptor)保存段的信息，每一个 Segment Descriptor 作为一个 entry 保存到 GDT(全局段表)中；总长为64位;Segment Descriptor 由如下部分构成，

• Base
  长度 32 bits，Segment 在虚拟内存中的起始地址；
• Type
  长度 4 bits，表示访问权限，读、写、执行等权限；
• S
  长度 1 bit，系统标志位，表示该段是否是系统段，如果是，表示其中保存的是系统核心内容；
• D Or B
  表示该段包含的是 data 还是 code；

Segment Selector

Segment Selector 又称作 Segment Identifier 既段标识，它作为标识指向段表中该段所在的位置；

Segment Selector 总长 16 bits，由三部分组成，

• index指向的是段描述（Segment Descriptor）在段表（GDT）中的偏移地址（直白点说，就是定位段在段表中的位置），长度 13 位.

  假设求某个段的位置:

  ​ $$add{r}_s=add{r}_g+index\ast 8$$

  其中$add{r}_g$保存在GDTR中

• TI
  Table Indicator；长度 1 bit，表示它指向的是 GDT 还是 LDT；

• RPL

  Request Privilege Level；长度 2 bits；指定 CPU 访问的权限级别；

  • 00 表示该段运行在内核态
  • 11 表示该段运行在用户态

这些概念似乎有点太过绕看图

这里就很清楚的表明 segment selector + GDTR 确定了 Segment Description的位置.而Segment Description指向的是段的实际位置…

2.LDT(linear Data Table)

线性地址,既常说的虚拟地址；线性地址由逻辑地址映射而来，物理地址由线性地址映射而来.虚拟地址处于

线性地址由两部分组成 段基址(从GDT/LDT中得到) + 偏置

而逻辑地址(代码中内容),为Segment Selector : offset

这里我们得清楚LDT和GDT基本结构是类似的LDT内部存储的是进程相关的段的基址内容,GDT存储的是内核代码的段的基址,而下面一张图则会更好的说明LDT以及GDT的关系.

**总结:**系统会给程序自动分配程序段,代码段等,这些段以及偏移组成了逻辑地址,而逻辑地址通过GDTR/LDTR,找到位于虚拟内存的段基址,最后得到虚拟地址.

3.线性地址到物理地址

基于之前的学习我们认知到,一页物理内存大小为4K,而32位操作系统的最大寻址空间是4G(系统总线数目限制),则总共有1 M个页框.

​ $$物理内存=页框号+偏移地址$$

则假设物理地址为$d$,而页框号为$n$,偏移地址为$r$

​ $\frac{d}{4K}=n....r$

结合前面学习的多级也变原理,我们清楚,为了避免储存页框浪费过多内存,所以采用多级页表.

则由上述的线性地址

天然形成这样一种对应关系，总共有 1024 个 Directories(目录)，每个 Directory 包含 1024 个页表，每个页表对应 4K 个偏移地址(这里这样做是有目的的，这样这好与一个物理页框的偏移地址范围相吻合)；那么总共有

​ $$1024\times 1024\times 4\text{K}=4\text{G}$$

• 这里就会有一个疑问了注意，逻辑地址中的 Offset 是 32 位的，而基于多级页表的线性地址的 offset 是 12 位的，为什么偏移由此转换呢？

  ​ 因此逻辑地址中 32 位的偏移地址是段内偏移地址，因此它的地址仍然是 32 位，而线性地址的偏移地址需要与物理页框的偏移地址对应起来(一个页为$2^{12}=4K$ )，所以，需要设计为 12 位，否则虚拟地址和物理地址基于页框的偏移地址对应不起来，就得不到正确的转换；

• Directory(目录)记录着上述第一层的地址—>cr3 + directory

• Table 记录着第二层的地址,即—>Directories entryXX + table

1. 通过控制寄存器 cr3 找到 Page Directory Table 在内存中的起始地址；

2. 通过线性地址中的 Directory 段从 Page Directory Table 中找到对应的 Directory Entry；

3. 通过 Directory Entry 的高 20 bits 找到 Page Table 在主存中的起始地址；

4. 通过线性地址中的 Table 段从 Page Table 中找到对应的 Page Entry；

5. 从 Page Entry 中通过虚拟页框号找到物理页框号 $PF{N}_p$；

6. 最后，通过$PF{N}_p\times 4K+OFFSET=物理内存地址$；

这些内容由page unit完成

e Entry；

5. 从 Page Entry 中通过虚拟页框号找到物理页框号 $PF{N}_p$；

6. 最后，通过$PF{N}_p\times 4K+OFFSET=物理内存地址$；

这些内容由page unit完成