CH3-保护模式内存管理

3.1 内存管理概览

3.1.1 逻辑地址（Logical Address）：

逻辑地址是由应用程序生成的地址，也称为虚拟地址。它是程序中使用的地址，与实际的物理内存位置无关。逻辑地址是相对于进程的地址空间而言的。

在保护模式下，每个进程都有自己的逻辑地址空间，这使得每个进程可以使用相同的逻辑地址，而不必担心与其他进程的地址冲突。逻辑地址由段选择符和偏移量组成。

3.1.2 线性地址（Linear Address）：

线性地址是逻辑地址到物理地址之间的中间层，也称为虚拟地址。在保护模式下，逻辑地址通过分段机制和分页机制映射到线性地址。

每个进程的线性地址空间都从零开始，然后通过分段机制进行映射到逻辑地址空间。线性地址与逻辑地址之间的映射由段描述符（Segment Descriptor）控制。

3.1.3 物理地址（Physical Address）：

物理地址是内存中存储数据的实际地址，也称为真实地址。物理地址是RAM芯片上的特定位置。

线性地址通过分页机制映射到物理地址。分页机制将线性地址划分为固定大小的页面，并将这些页面映射到物理内存中的页面帧上。

3.1.4 逻辑地址、线性地址和物理地址之间的转换：

逻辑地址到线性地址的转换：

首先，逻辑地址通过段选择符查找相应的段描述符。段描述符中包含了段的基地址。
然后，将逻辑地址的偏移量添加到段的基地址，得到线性地址。

线性地址到物理地址的转换：

线性地址通过页表（Page Table）或页目录表（Page Directory）进行映射到物理地址。
分页机制将线性地址分成页面（通常大小为4KB或2MB），并通过查找页表或页目录表，将每个页面映射到物理内存中的一个页面帧。

3.2 分段机制

3.2.1 基本平坦模型（Basic Flat Model）：

在基本平坦模型中，系统只使用单一的段，通常称为平坦段（Flat Segment），所有的逻辑地址都映射到相同的线性地址空间。这个模型忽略了分段机制的复杂性，将整个内存视为一个连续的地址空间，适用于非常简单的操作系统或嵌入式系统。这种模型的好处是简单，但不具备内存隔离和保护的特性。

3.2.2 保护平坦模型（Protected Flat Model）：

在保护平坦模型中，仍然使用单一的段，但借助保护模式和特权级别的概念，提供了更高级的内存保护和隔离。每个进程都有自己的线性地址空间，不同进程之间的地址不会冲突。操作系统可以使用分页机制来实现虚拟内存管理，将线性地址映射到物理地址，并提供内存隔离。这是现代操作系统（如Windows、Linux）的常用模型。

3.2.3 多段模型（Multi-Segment Model）：

多段模型允许使用多个不同的段来管理内存。每个段可以有自己的基地址和大小，用于存储不同类型的数据或代码。这个模型在早期的x86系统中常见，但在保护模式引入后逐渐被弃用。在多段模型中，需要维护多个段描述符，并且需要在不同段之间进行切换，增加了管理的复杂性。

3.4 逻辑地址和线性地址

3.4.1 段选择子 (Segment Selectors)：

段选择子是一个16位的值，用于在GDT（全局描述符表）或LDT（局部描述符表）中选择一个段描述子。段选择子包括两部分：索引（Index）和请求特权级别（Requested Privilege Level，RPL）。

3.4.2 段寄存器 (Segment Registers)：

x86架构中有一些段寄存器，包括CS（Code Segment，代码段寄存器）、DS（Data Segment，数据段寄存器）、ES（Extra Segment，附加段寄存器）、SS（Stack Segment，堆栈段寄存器）等。这些寄存器存储了段选择子的值，用于指示当前正在访问的段。

3.4.3 段描述子 (Segment Descriptors)：

段描述子是GDT或LDT中的数据结构，用于描述一个段的属性。一个段描述子包括段的基地址、段的大小、段的特权级别、类型等信息。每个段寄存器都指向一个段描述子，以确定如何访问这个段。

3.4.4 转换逻辑地址到线性地址的过程：

应用程序生成一个逻辑地址，它通常由段选择子和偏移量组成。

处理器通过段选择子来确定要访问的段描述子。它首先检查段选择子中的索引，然后根据请求特权级别（RPL）来决定是在GDT还是LDT中查找段描述子。

一旦找到了段描述子，处理器提取其中的基地址（Base Address）并将其与逻辑地址中的偏移量相加，得到线性地址。

线性地址可以用于后续的内存访问，但仍然需要经过分页机制的映射，最终才能得到物理地址。

3.5 描述符的分类

3.5.1 数据段描述符 (Data Segment Descriptor)：

数据段描述符用于定义内存中的数据段的属性，如数据段的基地址、大小、特权级别、访问权限等。数据段描述符允许程序访问和操作数据。

3.5.2 代码段描述符 (Code Segment Descriptor)：

代码段描述符用于定义内存中的代码段的属性，如代码段的基地址、大小、特权级别、访问权限等。代码段描述符允许程序执行指令。

3.5.3 局部描述符表描述符 (Local Descriptor-Table Segment Descriptor)：

局部描述符表描述符用于描述局部描述符表（LDT）的属性。每个进程可以有自己的LDT，它包含了进程特定的段描述符。

3.5.4 任务状态段描述符 (Task-State Segment Descriptor)：

任务状态段描述符用于定义任务状态段（TSS）的属性。TSS包含了处理器在任务切换时的状态信息，如通用寄存器、段寄存器、堆栈指针等。

3.5.5 调用门描述符 (Call-Gate Descriptor)：

调用门描述符用于定义调用门的属性。调用门允许程序从一个特权级别跳转到另一个特权级别，同时进行特权级别的切换。

3.5.6 中断门描述符 (Interrupt-Gate Descriptor)：

中断门描述符用于定义中断门的属性。中断门允许处理器响应中断事件，进行中断处理，同时进行特权级别的切换。

3.5.7 陷阱门描述符 (Trap-Gate Descriptor)：

陷阱门描述符用于定义陷阱门的属性。陷阱门类似于中断门，但不会关闭中断响应标志，允许陷阱处理程序嵌套执行。

3.5.8 任务门描述符 (Task-Gate Descriptor)：

任务门描述符用于定义任务门的属性。任务门允许程序从一个任务跳转到另一个任务，进行任务切换。