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Linux操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512 Autumn 2009 上次课内容回顾 源代码简介 启动代码简介 Linux内核代码组成分析 Linux的启动层次 Linux的启动分析 内存寻址 内容提要 X86微处理器的存储器寻址 Linux在X86上的寻址实现 存储器地址 在intelx86处理器下，有三种不同的地址 逻辑地址：每个逻辑地址由一个段(segment)和偏移量(offset)组成 线性地址：32位无符号整数，可表示4G大小的地址空间 物理地址：芯片级内存单元寻址。它们与从CPU的地址引脚发送到内存总线上的电信号相对应 地址转换过程 为什么需要内存寻址机制？ 保护内核不受恶意或者无意的破坏 隔离各个用户进程 方便程序的编写，使程序员可以抛开对物理内存的考虑，而且理论上可以使用任意大小的空间 硬件的分段单元（1）段寄存器(segment register) I386体系结构采用分段机制 逻辑地址=段：段内偏移 使用16位段寄存器来指明当前所使用的段 有六个：cs, ss, ds, es, fs和gsCPU规定了3个寄存器的专门的用途 cs 代码段寄存器，指向存放程序指令的段 ss 堆栈段寄存器，指向存放当前堆栈的段 ds 数据段寄存器，指向存放数据的段 从80386开始，Intel微处理器以两种不同的方式执行地址转换 实模式（20位） 16位段寄存器只记录段基址的高16位，因此段基址必须4位对齐（末4位为0） 不采用虚拟地址空间，直接采用物理地址空间 物理地址=段寄存器值*16+段内偏移 保护模式（32位） 16位段寄存器无法直接记录段的信息，因此需要与全局描述符表GDT配合使用 GDT中记录了每个段的信息（段描述符），段寄存器只需记录段在GDT中的序号 注意：cs寄存器还有一个很重要的功能:它含有一个两位的域，用以指明CPU的当前特权级CPL (current privilege level)，值为0代表最高优先级，值为3代表最低优先级 线性地址=段基地址+段内偏移 其中，段基地址是根据段寄存器所指明的GDT中的段描述符中的信息得到的 物理地址：根据页表对线性地址进行转换而得到 GDT和段描述符 (segment descriptor) 每个段由一个段描述符来表示，一个段描述符长度为8个字节 全局描述符表GDT (global description table)就用来存放段描述符 GDT表也存放在RAM中，并使用一个专门的寄存器GDTR来指示GDT表在RAM中的位置（物理起始地址） 局部描述符表LDT（Local Description Table） 根据x86，每个进程可以设置一个LDT LDT表也存放在RAM中，使用LDTR来指示当前的LDT表 由于段的用途不一样，Intelx86提供下列几种段描述符 数据段描述符（Data Segment Descriptor） 可以描述各种用户数据段和堆栈段 代码段描述符（Code Segment Descriptor） 描述一个用户代码段 任务状态段描述符（Task State Segment Descriptor） 描述一个任务的状态段 局部描述符表描述符 描述一个LDT段 系统段描述符（System Segment Descriptor） 段描述符主要描述如下内容 段的物理起始地址（base字段，32位） 段长度（limit字段，20位） 段长度的单位（粒度，G标志，1位） 0：字节为单位 1：4KB为单位 是否系统段（S标志，1位） 0：系统段 1：普通的段 类型字段（Type字段，4位） 例如代码段、数据段、任务状态段、局部描述符段等等 段的特权级描述字段（DPL字段，2位） 00b：只能被CPL=00b的内核代码段访问 .. 11b：可以被任意代码段访问 段存在标志（1位） 0：该段当前不在内存中 1：该段当前在内存中 … 段描述符的格式 段选择子（Segment Selector） 16位段寄存器与GDT或LDT配合起来对相应的段进行寻址 段寄存器中的值称为段选择子，16位 13位的索引，指定GDT表中的相应的段描述符 1位的TI(Table Indicator) (跟LDT表有关，Linux中基本未使用） 2位RPL(request privilege level)当相应的段选择符装入到cs寄存器中时，表明了CPU的当前特权级（用户/内核） 段选择子的使用和段描述符的快速访问 逻辑地址到线性地址的转换 Linux中的段 基于下面两个原因，linux中只使用了几个段 段和页的同时存在在一定程度上有点多余。 因为两者都可以划分进程的物理空间 所有的进程希望使用同样的0-4G的逻辑空间。 这样程序