逻辑地址，虚拟地址，物理地址--深入理解linux内核

先简单说明一下逻辑地址，虚拟地址，物理地址这三个地址的理解，然后再举个例子，结合实际运行程序的时候深入理解地址概念。

 

1.逻辑地址：
      概念上的地址。通常在机器语言指令中来指定操作数或者指令的地址。（补充：机器语言就是计算机能够直接识别和执行的指令，即二进制形式）。
      每一个逻辑地址，包括段地址segment和段内偏移量offset，即逻辑地址=【16位的段标识：20位的偏移offset】
      MS-DOS或windows把不同的程序划分为独立的逻辑段。逻辑地址在80*86分段结构中表现得很具体。

 

为什么会有逻辑地址这个概念？逻辑地址可以理解为分段结构意义上的地址。因为windows或者早起的intel为了让每个程序都只有自己的独立空间，所以就将每个程序作为一个单独的逻辑单元，也就是分段单元。在这个逻辑单元内的意义上的地址就是逻辑地址了。 

 

2.虚拟地址（线性地址）：
     32位的无符号整数，地址范围：0x00000000 到0xffffffff。

    在二级页表结构中，虚拟地址=【10位的页目录：10位的页表：12位的偏移量】

   在一级页表结构中，虚拟地址=【1位的页表：22位的偏移量】

 

为什么会有虚拟地址？虚拟地址其实就是分页结构对应的地址。因为linux kernel将内存划分为大小相等的页，方便内存管理和分配。在分段结构中，每个段的大小不一定相等，不便于管理和分配。

 

3. 物理地址：
     实际存在的地址，用于内存芯片级的内存单位寻址。它们与微处理器的地址引脚发送到内存总线上的电信号相对应。
     物理地址由32位或者36位无符号整数表示。（硬件上地址总线为36位，高四位和低32位）。

 

4. 逻辑地址转换为线性地址：

     (1) 逻辑地址=[16位的段标识：32位offset]

     (2)段标识存储在段寄存器中，段标识=[13位index,1位flag,2位的cpu level].若flag=1,表示段描述符存储在GDT，否则在LDT。

     (3)如果段描述符存储在GDT中，则从GDT控制器读取出GDT（全局描述表）的首地址。GDT每个元素是8字节的段描述符，因此，可计算出段标识指向的段描述符地址为：GDT首地址+8*13位的index.  如果在LDT中，计算过程同理。

    (4)计算出段标识指向的段描述符地址后，内核将该段描述符从内存读取出来，存放在CPU控制的寄存器中。

    (5)段描述符位8个字节大小，存放了段的属性，包括基地址，段长度，等等。

    (6)那么，虚拟地址=基地址+32位的offset.

整个转换过程，是由一个硬件电路计算的，效率很高。相当于由段标识映射到段描述符，段描述符中有该段的基地址，基地址+offset就是虚拟地址了。

 

 

5.线性地址转换为物理地址：

对于一级页表结构来说， 地址计算过程如下：

（1）页表在内存中的地址存储在cr3寄存器中，我们标记为页表的物理地址；

 (2)线性地址的高10位为页目录索引。 页目录的每一项存储了该页的物理地址。所以页的物理地址=（页表的物理地址 + 页目录索引）所指向的页的物理地址。

（3）页的物理地址+偏移量offset 就是该线性地址对应的物理地址。

 

    6.小结：

用户程序经过编译连接后生成由机器语言组成的可执行程序，该可执行程序中的地址是逻辑上的逻辑地址。

    当CPU执行可执行程序的指令时，会由一个硬件电路将逻辑地址转换为虚拟地址，再经过一个硬件电路将虚拟地址转换为物理地址。然后CPU就直接从该物理地址指向的内存单元去读数据。
     为什么先要转换为虚拟地址呢？是因为逻辑地址是段结构意义上的地址，而内存会被划分为页结构。也就是说，操作系统展现出来的地址是由页地址和页内偏移量组成，而这个就是虚拟地址。至于这个页结构上的虚拟地址如何转换为物理地址，是有硬件电路去计算的。内核不用去管。
    因此，可以这样理解， 操作系统把硬件上的物理地址屏蔽掉，抽象出虚拟地址。这样对于程序来说，处于内核层面上的虚拟地址空间，程序不用管内存的物理地址是否够用。