浅谈80X86内存寻址问题

浅谈80X86内存寻址问题

一、基础知识

本文主要浅谈80x86系列处理器的内存地址的寻址问题，当然这种问题在我学习单片机的时候是没有遇到过的。当今的操作系统不需要自己来跟踪管理物理地址，而这个工作全部由处理器的内存管理单元来完成。这样的先进电路设计使得操作系统的使用更加的高效。本文中我们主要涉及80x86的硬件内存管理电路原理与linux中的使用方式。

在早期的单片机程序设计中，在我读取某个内存单元的数据时候，我会直接对这个地址进行读写。而如今，在我们学习linux时候，我们就不能这么简单的操作，首先需要了解一下简单的知识，其中包括三种地址的含义。

逻辑地址：在80X86处理器系列中，程序员所使用的地址包括两个部分，段地址+基址，这根intel的设计思路是分不开的，早期的intel芯片如8086只是简单的16位，但是为了满足不增加系统位数而扩展物理内存寻址能力的的要求，所以intel的设计师采用段机制来扩展物理内存，当时程序员使用的就是CS：IP来寻址代码，用来实现逻辑地址到线性地址的映射，其逻辑地址到物理地址的转换方式为CS*16+IP，正好是16位的线性地址，如此便得来8086总共拥有位地址总线的原因。

线性地址：首先必须有一个清楚的概念，线性地址也就是虚拟地址，linux用户进程使用的地址就是这个虚拟地址，32位的整数可以寻址2^32=4Gb的线性空间。其地址范围用HEX进制来表示就是0x00000000~0xFFFFFFFF

物理地址：物理地址就是用来寻址物理存储芯片的地址，通常也就是处理器的物理地址总线所寻址的地址空间。常常有32位等。

逻辑地址，线性地址，物理地址的转换关系如下图所示：

二、、分段机制

原始的8086系列处理器，分段采用的是段左移四位加段内偏移地址的这种模式，这也就是传统的实地址模式。但是从80286开始，Intel系列处理器增加了另一种模式，这种模式叫做保护模式(protected mode)。我们把主要的精力放在保护模式的研究上，实地址模式主要用于处理器的向前兼容，但是有一点需要提起的是，即使现在拥有保护模式的处理器，其在开机时仍然是处在实地址模式下，用于系统的启动和操作系统的早期处理。分段基址主要涉及到两点一线，两点即逻辑地址与线性地址（虚拟地址），一线即为分段管理单元。这里主要讲解的是段选择符（CS，SS，DS），段描述符，段描述符表（GDT），以及从逻辑地址到线性地址的转移过程。这里首先说明CS等逻辑段寄存器与早期逻辑段寄存器的区别。实地址模式下的段寄存器表示的是段的起始地址。而在保护模式，段寄存器的高13位（15-13bit）保存着段描述符表的索引，后面三位保存着该段的属性，如访问等级等；其结构如下图所示。

段描述符索引：用于在段描述符表中需找相应的描述符。

TI： 用于指定是在GPT还是LPT。

RPL：用于设定访问权限等级。

其中最后一项RPL用于指定访问等级，0代表最该等级，3代表最低等级。至于其中什么叫段描述符，什么叫做段描述符表在后文会有介绍。