对Linux内存地址转换、保护模式的理解

相关概念：实模式、保护模式、GDT、LDT、物理地址、逻辑地址、线性地址（虚拟地址）

实模式

Intel 80286时代使用的模式。访问內存是通过segment：offset找到內存的。即“左移4位加偏移”，segment<<4+offset = 物理地址

保护模式

如今大部分的x86操作系都在保护模式下运行。内存的管理模式分为两种，段模式和页模式

访问一个内存地址仍然使用Segment:Offset的方式，segment是32位地址。

段模式提供了保护机制，其中每个段都会有一个数据结构叫段描述符，即[Base Address, Limit, Access]。每个段描述符的长度是8字节，含有3个主要字段：段基地址、段限长和段属性。

GDT（Global Descriptor Table）

GDT是保护模式下关键的一个数据结构。GDT是一个数组，存放在内存的某一个位置上，数组中存放了所有的段描述符。因为每一个进程都需要用到它，所以它是对所有进程可见的。

CPU必须知道GDT的入口，也就是它放在哪里，CPU提供了一个寄存器GDTR（段描述符寄存器）用来存放GDT的入口地址，程序员将GDT设定在内存中某个位置之后，可以通过LGDT指令将GDT的入口地址装入GDTR寄存器，从此以后，CPU就根据GDTR中的内容作为GDT的入口来访问GDT了。

LDT（Local Descriptor Table）

它也是段描述符，但是它是某一个进程专有的。LDT的入口存在则在LDTR寄存器中。

段寄存器

段寄存器只有16位，其中存放的是段描述符在GDT或LDT内的索引值(index)。（注意区别段寄存器和段描述符寄存器，前者用来找某一个段描述符的位置，后者用来找整个GDT的位置）

物理地址

内存单元的地址，内存是一个线性的存储空间，每个内存单元按地址从小到大排列着。CPU通过这个地址直接访问地址对应的单元的数据。

逻辑地址

实模式下的那种地址就是逻辑地址。它是机器指令里出现的内存地址。段选择符（16位） + 偏移量（32位） = 逻辑地址

段选择符

段选择符用16位来表示。最高13位表示要使用的段在描述符表中的索引号，低3位的前两位表示使用段的权等级，最后1位指明描述符是位于GDT中还是位于LDT中（=0表示用GDT，=1表示用LDT）。段选择符用于逻辑地址向线性地址的转换，段描述符在GDT或LDT内的相对地址是由段选择符的最高13位的值乘以8（因为每个描述符8字节）得到的。

 

线性地址（虚拟地址）

线性地址就是对于某个进程自己地址空间的地址了。

三种地址的转换流程

机器指令中出现的内存地址是逻辑地址，需要转换成线性地址，再经过MMU转换成物理地址才能够被访问到。

逻辑地址-线性地址转换可以看做是对过去的兼容。