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圖解CPU的內存管理——徹底講透分段與分頁

作者:時間:2020-07-20來源:技術小兵收藏

先總結,后看圖:

本文引用地址:http://www.303263.tw/article/202007/415841.htm

1、作為OS的基礎,能支持什么內存訪問模型,OS就必須跟隨;

2、Intel 支持分段與分頁兩種模型;

3、Intel 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->物理地址的轉換;這部分在CPU的MMU模塊中由電路實現;

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

5、分頁模型就繼續接著分段模型生成的線性地址得到相應的物理地址;

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

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

6、分頁與分段模型不是設計出來的,是歷史原因造就。早期的CPU能力不強如(8086,80X86)等等,但是實現了保護模式(就是可以跑多進程),但是支持的進程數不多,所以分段模型足夠了;所以GDT這個表被設計成一個數組;后來intel設計出越來越強大的CPU,一直到多核CPU,那么,支持的進程數可以說幾十上百倍的增長,所以數組不行了;引入鏈表形式的——頁表來管理內存映射,但是CPU是向下兼容的,所以哪怕是intel最先進的CPU也是有分段模型的;所以分頁到分段是歷史造就,不是設計出來的,不要太過探究它的原因;

7、分頁與分段的優劣,可以看做是鏈表與數組的特點之爭;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);分頁模型就是效率低,但是足夠靈活(支持大量的進程);所以CPU引入了緩存——TLB;

8、TLB與CacheLine其實一個東西(電路層),支持緩存行數據結構中的標記與組號的位數不同而已(在圖中有詳解)。

9、總結下,CPU在執行一個指令的時候,需要從內存獲得數據,那么就需要通過地址線訪問內存,為了得到指令所在內存的物理地址,需要走分段模型——將邏輯地址轉為線性地址(虛擬地址),然后通過分頁單元將線性地址轉為物理地址;

10、CPU中的兩個Cache,因為訪問內存成本逐級增高,所以在邏輯地址轉為線性地址過程中為了少訪問內存,使用了TLB組關聯高速緩存;而得到物理地址后,為了不訪問內存,CPU內部還有L1-L3級緩存(Cacheline)。

http://editerupload.eepw.com.cn/202007/dc9d7c2b0b3f204e81ff4c6add7b9b69.png

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關鍵詞: CPU 內存管理

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