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内存地址转换与分段
在支持Intel的主板芯片组上,CPU对内存的访问是通过连接着CPU和北桥芯片的前端总线来完成的。在前端总线上传输的内存地址都是物理内存地址,编号从0开始一直到可用物理内存的最高端。这些数字被北桥映射到实际的内存条上。物理地址是明确的、最终用在总线上的编号,不必转换,不必分页,也没有特权级检查。然而,在CPU内部,程序所使用的是逻辑内存地址,它必须被转换成物理地址后,才能用于实际内存访问。从概念上讲,地址转换的过程如下图所示:
x86 CPU开启分页功能后的内存地址转换过程
此图并未指出详实的转换方式,它仅仅描述了在CPU的分页功能开启的情况下内存地址的转换过程。如果CPU关闭了分页功能,或运行于16位实模式,那么从分段单元(segmentation unit)输出的就是最终的物理地址了。当CPU要执行一条引用了内存地址的指令时,转换过程就开始了。第一步是把逻辑地址转换成线性地址。但是,为什么不跳过这一步,而让软件直接使用线性地址(或物理地址呢?)其理由与:“人类为何要长有阑尾?它的主要作用仅仅是被感染发炎而已”大致相同。这是进化过程中产生的奇特构造。要真正理解x86分段功能的设计,我们就必须回溯到1978年。
最初的8086处理器的寄存器是16位的,其指令集大多使用8位或16位的操作数。这使得代码可以控制216个字节(或64KB)的内存。然而Intel的工程师们想要让CPU可以使用更多的内存,而又不用扩展寄存器和指令的位宽。于是他们引入了段寄存器(segment register),用来告诉CPU一条程序指令将操作哪一个64K的内存区块。一个合理的解决方案是:你先加载段寄存器,相当于说“这儿!我打算操作开始于X处的内存区块”;之后,再用16位的内存地址来表示相对于那个内存区块(或段)的偏移量。总共有4个段寄存器:一个用于栈(ss),一个用于程序代码(cs),两个用于数据(ds,es)。在那个年代,大部分程序的栈、代码、数据都可以塞进对应的段中,每段64KB长,所以分段功能经常是透明的。
现今,分段功能依然存在,一直被x86处理器所使用着。每一条会访问内存的指令都隐式的使用了段寄存器。比如,一条跳转指令会用到代码段寄存器(cs),一条压栈指令(stack push instruction)会使用到堆栈段寄存器(ss)。在大部分情况下你可以使用指令明确的改写段寄存器的值。段寄存器存储了一个16位的段选择符(segment selector);它们可以经由机器指令(比如MOV)被直接加载。唯一的例外是代码段寄存器(cs),它只能被影响程序执行顺序的指令所改变,比如CALL或JMP指令。虽然分段功能一直是开启的,但其在实模式与保护模式下的运作方式并不相同的。
在实模式下,比如在引导启动的初期,段选择符是一个16位的数值,指示出一个段的开始处的物理内存地址。这个数值必须被以某种方式放大,否则它也会受限于64K当中,分段就没有意义了。比如,CPU可能会把这个段选择符当作物理内存地址的高16位(只需将之左移16位,也就是乘以216)。这个简单的规则使得:可以按64K的段为单位,一块块的将4GB的内存都寻址到。遗憾的是,Intel做了一个很诡异的设计,让段选择符仅仅乘以24(或16),一举将寻址范围限制在了1MB,还引入了过度复杂的转换过程。下述图例显示了一条跳转指令,cs的值是0x1000:
实模式分段功能
实模式的段地址以16个字节为步长,从0开始编号一直到0xFFFF0(即1MB)。你可以将一个从0到0xFFFF的16位偏移量(逻辑地址)加在段地址上。在这个规则下,对于同一个内存地址,会有多个段地址/偏移量的组合与之对应,而且物理地址可以超过1MB的边界,只要你的段地址足够高(参见臭名昭著的A20线)。同样的,在实模式的C语言代码中,一个远指针(far pointer)既包含了段选择符又包含了逻辑地址,用于寻址1MB的内存范围。真够“远”的啊。随着程序变得越来越大,超出了64K的段,分段功能以及它古怪的处理方式,使得x86平台的软件开发变得非常复杂。这种设定可能听起来有些诡异,但它却把当时的程序员推进了令人崩溃的深渊。
在32位保护模式下,段选择符不再是一个单纯的数值,取而代之的是一个索引编号,用于引用段描述符表中的表项。这个表为一个简单的数组,元素长度为8字节,每个元素描述一个段。看起来如下:
段描述符
有三种类型的段:代码,数据,系统。为了简洁明了,只有描述符的共有特征被绘制出来。基地址(base address)是一个32位的线性地址,指向段的开始;段界限(limit)指出这个段有多大。将基地址加到逻辑地址上就形成了线性地址。DPL是描述符的特权级(privileg
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