操作系统中存储器管理及CPU对存储器的访问

即将迎来双十一，大学这四年注定要一个人走完了。

在做uboot移植的时候对代码的重定向产生一个疑问，不理解为什么把uboot读到以链接地址作为起始地址的SDARM内存空间。对链接地址、虚拟地址、物理地址也傻傻分不清，后来学习计算机组成原理中的虚拟存储器时了解到虚地址（逻辑地址）、实地址（物理地址）以后我就认为链接地址就是虚拟地址。在学习了操作系统中存储器管理和虚拟存储器之后，我坚信我的猜测是正确的，只不过虚拟地址和物理地址的关系取决于存储管理的方式。

１．虚拟存储器、虚拟地址、链接地址

虚拟存储器：主存和辅存之外附加的硬件和软件的实现，也是用来提高辅存到主存的访问效率的一种机制。

虚拟地址：解决了程序员在编写程序时对内存空间安排使用的问题，也使程序员在编程时不必考虑地址空间的问题。虚拟地址应该可以有两个解释，对于计算机虚拟地址就是虚拟存储空间中地址，对于程序员虚拟地址就是编写程序时指定的地址。

链接地址：程序员在编写程序是使用的地址（严格的说是程序中存储指令的地址）。链接地址也是CPU运行地址，即CPU所能看到的地址，实际的物理地址需要mmu的转换。由于现在各种集成开发工具（IDE）的使用，让很多程序员（尤其是应用程序员）对链接地址感到很陌生。现在IDE会帮助我们完成所有的编译、链接工作。我认为链接地址可以从两个角度来看，从CPU的角度来看是运行地址，从程序员的角度来看链接地址也是虚拟地址的一部分。

我个人理解在虚拟地址概念引入后，在编写程序时所有地址都可以说是虚拟地址（逻辑地址），因为它们可以无限的大。指令地址也是数据，链接地址就是指出去哪个地址单元取出指令执行，CPU得到的始终时链接地址，然后转换得到实际指令的物理地址。

个人感觉虚拟地址、数据地址、链接地址的关系应该是这样的：

图1

２．存储器管理

存储管理有单一连续分配、动态可重定位分区分配、分页式存储管理方式、分段是存储管理方式、段页式存储管理方式。

单一连续分配，就是把用户程序读到和逻辑地址相同的物理地址，此时只能运行一个作业。单一连续分配需要程序员非常熟悉内存的分布。（逻辑地址、链接地址和物理地址相同）

动态可重定位分区分配，用于多道程序设计中，能够根据进程的实际需求动态的分配内存空间。（逻辑地址　！＝　物理地址）

分页存储管理方式，将程序划分为若干个大小固定的区域（页），也把物理内存划分为大小和页相等的块，通过页表完成页到块的映射。（逻辑地址!=物理地址）

分段是存储管理方式，把用户程序按照地址空间划分为不同的段，每段可以定义完整的信息。在存储分配时以段为单位，段的物理位置可以不同，从而实现了离散化分配。（逻辑地址!=物理地址）

段页式存储管理方式，同时具有前两者优点的存储管理方式。（逻辑地址！＝物理地址）

逻辑地址和物理地址的关系由存储管理的方式有关。

３．uboot重定位采用的方式

uboot的重定位可以使用单一连续分配的方式来完成，因为uboot是上电后运行的第一个程序，它独占CPU。从Nand Flash读到SDARM的起始地址就是链接地址，此时虚拟地址和物理地址相同。

４．CPU对存储器的访问

在做MMU验证实验时发现windows和ubuntu的打印结果不同，这个问题让我感到十分的困惑。

（１）windows下的代码：

图2

（２）windows下的结果

图3

(3) ubuntu下的代码

图4

（４）ubuntu下的结果

图5

由此可见在windows下同时运行的两个进程的变量地址相同，在ubuntu下同时运行的两个进程的结果不同。经过一番终于查询终于知道了其中的原因。现在的操作系统采用了栈空间随机化技术（ALSR），防止被黑客使用ret2libc攻击，然而这种技术需要软件和硬件的支持。我在windows下使用code::block编译的代码，生成的可执行文件没有支持这种技术，所以栈地址不变为且始终为a变量的虚拟地址。我使用Visual Studio 2015编译的代码就可以支持栈空间随机化技术（ALSR）。同样ubuntu也可以禁止栈空间随机化技术（ALSR）技术，禁止后两个进程的打印结果是相同的，如图6。

禁用（ALSR）: sudo echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space

启用（ALSR）: sudo echo 2 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space

图6

5.个人对操作系统存储访问过程的理解

（1）虚拟存储，一个程序调入主存前在虚拟存储中进行分页，提高主存辅存的访问速度。

（2）现在操作系统中进程在内存中是离散化的分布。以分页存储管理方式来说，每个进程中有一个页表，记录着其在内存的位置。当CPU发出访问地址请求时，通过地址转换机构（MMU）来得到物理地址，然后通过存储管理器访问内存，实现数据的读写。

（3）如果访问主存时数据没有在主存中将产生缺页中断，这是需要把虚拟存储器中相应的页调入主存中。

6.存储访问（个人理解）：

图7

7.参考资料

（1）数据执行保护，在内存上执行额外检查以帮助防止在系统上运行恶意代码，其基本原理是将数据所在内存页标识为不可执行。

　　　《DEP原理及关闭》　http://blog.csdn.net/dongyewolong/article/details/8182055

（2）栈地址随机化ASLR技术。

　　《使用ret2libc攻击方法绕过数据执行保护》　http://blog.csdn.net/linyt/article/details/43643499

　　《栈随机化》　　http://blog.csdn.net/swordmanwk/article/details/42044775