虚拟内存区域描述符等.PPT

LINUX原理及应用 武汉大学计算机学院 郑鹏 Email:pzheng51@163.com 第4章 Linux内存管理 存储管理的任务是方便用户使用存储资源，在有限的物理空间内使更多的用户进程高效地获得和使用尽可能多的存储空间，从而提高系统的整体性能。 Linux操作系统采用了请求式分页虚拟存储管理方法。系统为每个进程提供了4GB的虚拟内存空间，各个进程的虚拟内存彼此独立。虚拟内存可以提供以下的功能： 广阔的地址空间。 进程的保护。 内存映射。 公平的物理内存分配。 共享虚拟内存。 4.1 I386存储管理硬件 I386的工作模式包括实地址模式和虚地址模式（保护模式）。Linux主要工作在保护模式下。I386存储管理硬件辅助操作系统进行内存管理，提供虚实地址转换等硬件支持。在I386架构中，内存被划分成3种类型的地址： (1)逻辑地址：是存储位置的地址，它可能直接对应于一个物理位置，也可能不直接对应于一个物理位置。逻辑地址通常在请求控制器中的信息时使用。 (2)线性地址：是从0开始进行寻址的内存。之后的每个字节都可顺序使用下一数字来引用，直到内存末尾为止。 (3)物理地址：是使用物理地址总线中的位表示的地址。物理地址可能与逻辑地址不同，内存管理单元可以将逻辑地址转换成物理地址。 CPU使用两种单元将逻辑地址转换成物理地址。第一种称为分段单元，另外一种称为分页单元。 4.1.1 I386的分段机制 从逻辑地址到线性地址的转换由I386分段机制管理。段寄存器CS、DS、ES、SS、FS或GS标识一个段。这些段寄存器作为段选择器，用来选择该段的描述符。在保护模式下，80386虚地址空间可达16K个段，每段大小可变，最大达4GB。 分段地址还包括两个组件—— 段选择器(segment selector)。段选择器指定了要使用的段（即基址和长度值）。 段内偏移量(offset into the segment)。段内偏移量则指定了实际内存位置相对于基址的偏移量。实际内存位置的物理地址就是这个基址值与偏移量之和。如果偏移量超过了段的长度，系统就会生成一个保护违例错误。 4.1.1 I386的分段机制 每个段都有一个16位的字段，称为段标识符(segment identifier)或段选择器(segment selector)。 每个段标识符都代表一个使用64位（8个字节）的段描述符(segment descriptor)表示的段。这些段描述符可以存储在一个GDT（全局描述符表）中，也可以存储在一个LDT（局部描述符表）中。 每次将段选择器加载到段寄存器中时，对应的段描述符都会从内存加载到相匹配的CPU寄存器中。每个段描述符表示内存中的一个段。这些都存储到LDT或GDT中。 4.1.1 I386的分段机制 段选择器包含以下内容： (1)一个13位的索引，用来标识GDT或LDT中包含的对应段描述符条目 (2)TI (Table Indicator)，标志指定段描述符是在GDT中还是在LDT中，如果该值是0，段描述符就在GDT中；如果该值是1，段描述符就在LDT中。 (3)RPL (request privilege level)，定义了在将对应的段选择器加载到段寄存器中时CPU的当前特权级别。 4.1.1 I386的分段机制 描述符就是描述段的属性的一个8字节存储单元。通用的段描述符的结构如下图所示。 4.1.1 I386的分段机制 第5个字节是存取权限字节，其中第7位P位是存在位，第6，5位是DPL，就是描述符特权级，第4位是S位(System)表示这个段是系统段还是用户段，第3，2，1位是类型位。 第6个字节的G位是粒度位。D/B位表示缺省操作数的大小，如果为0，操作数为16位，如果为1，操作数为32位。AVL只能由系统软件使用，为了与将来的处理器兼容设置为0。 4.1.1 I386的分段机制 Linux以一种受限的方法来使用这种分段模型（主要是出于兼容性方面的考虑）。 在Linux中，所有的段寄存器都指向相同的段地址范围——换言之，每个段寄存器都使用相同的线性地址，段寄存器指向相同的地址集。这种模型有两个优点： 当所有的进程都使用相同的段寄存器值时（当它们共享相同的线性地址空间时），内存管理更为简单。 在大部分架构上都可以实现可移植性。某些RISC处理器也可通过这种受限的方式支持分段。 Linux使用以下段描述符：内核代码段，内核数据段，用户代码段，用户数据段，TSS段，默认LDT段。 4.1.1 I386的分段机制 I386规定段机制是不可禁止的，因此不可能绕过它直接给出线性地址空间的地址。为此，Linux的设计人员干脆让段的基地址为0，而段的界限为4GB，这时任意给出一个偏移量，则等式为“0+