圖解CPU的內(nèi)存管理——徹底講透分段與分頁

先總結(jié)据块,圖在??

1码邻、作為OS的基礎(chǔ),CPU能支持什么內(nèi)存訪問模型另假,OS就必須跟隨像屋;

2、Intel CPU支持分段與分頁兩種模型边篮;

3己莺、Intel CPU的訪存模型是先分段再分頁的模式,所以涉及到從邏輯地址->線性地址->物理地址的轉(zhuǎn)換戈轿;這部分在CPU的MMU模塊中由電路實現(xiàn)凌受;

4、邏輯地址為程序二進制的地址思杯,是偏移量的形式存在胜蛉,是個相對地址;這部分跟分段模型緊密相關(guān)色乾;分段模型負責(zé)將CPU拿到的邏輯地址(主要是幾個寄存器的值誊册,GDTR,CD暖璧,DS案怯,SS)轉(zhuǎn)成一個線性地址(線性地址由OS生成);

5澎办、分頁模型就繼續(xù)接著分段模型生成的線性地址得到相應(yīng)的物理地址嘲碱;

5.1、分段靠GDT(LDT)浮驳,分頁靠(頁目錄與頁表)悍汛,這寫表都是在內(nèi)存中,OS在啟動過程中會分配至会;那么你可能會問离咐,OS在啟動的時候沒有段表與頁表之前怎么訪問內(nèi)存?CPU還支持更古老的實模式訪問內(nèi)存(程序中寫死物理地址的程序)奉件,8080就是這樣的東西宵蛀,所以O(shè)S啟動的時候也會用古老的方式啟動,然后逐步進化成現(xiàn)代的方式县貌;

5.2术陶、Linux為了兼容不同的CPU,拋棄了Intel的分段模型煤痕,但是如果運行在X86平臺又必須要有GDT梧宫,怎么辦接谨?Linux干脆寫死,所有進程的分段地址都是00000000塘匣,所有程序ELF格式的偏移量都是被定制化的脓豪;

6、分頁與分段模型不是設(shè)計出來的忌卤,是歷史原因造就扫夜。早期的CPU能力不強如(8086,80X86)等等驰徊,但是實現(xiàn)了保護模式(就是可以跑多進程)笤闯,但是支持的進程數(shù)不多,所以分段模型足夠了棍厂;所以GDT這個表被設(shè)計成一個數(shù)組颗味;后來intel設(shè)計出越來越強大的CPU,一直到多核CPU勋桶,那么脱衙,支持的進程數(shù)可以說幾十上百倍的增長,所以數(shù)組不行了例驹;引入鏈表形式的——頁表來管理內(nèi)存映射,但是CPU是向下兼容的退唠,所以哪怕是intel最先進的CPU也是有分段模型的鹃锈;所以分頁到分段是歷史造就,不是設(shè)計出來的瞧预,不要太過探究它的原因屎债;

7、分頁與分段的優(yōu)劣垢油,可以看做是鏈表與數(shù)組的特點之爭盆驹;分段模型自然就是速度快,但是不靈活(只能支持少量的進程)滩愁;分頁模型就是效率低躯喇,但是足夠靈活(支持大量的進程);所以CPU引入了緩存——TLB硝枉;

8廉丽、TLB與CacheLine其實一個東西(電路層),支持緩存行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的標記與組號的位數(shù)不同而已(在圖中有詳解)妻味。

分頁與分段

CPU內(nèi)存管理——從分段到分頁

9正压、總結(jié)下,CPU在執(zhí)行一個指令的時候责球,需要從內(nèi)存獲得數(shù)據(jù)焦履,那么就需要通過地址線訪問內(nèi)存拓劝,為了得到指令所在內(nèi)存的物理地址,需要走分段模型——將邏輯地址轉(zhuǎn)為線性地址(虛擬地址)嘉裤,然后通過分頁單元將線性地址轉(zhuǎn)為物理地址凿将;

10、CPU中的兩個Cache价脾,因為訪問內(nèi)存成本逐級增高牧抵,所以在邏輯地址轉(zhuǎn)為線性地址過程中為了少訪問內(nèi)存,使用了TLB組關(guān)聯(lián)高速緩存侨把;而得到物理地址后犀变,為了不訪問內(nèi)存,CPU內(nèi)部還有L1-L3級緩存(Cacheline)秋柄。

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