虚幻与真实：程序中的地址如何转换？

1）读取指令、读写数据的时候需要和内存进行怎样的交互？

• 告诉内存芯片：hi，内存老哥请你把 0x10000 地址处的数据交给我……hi，内存老哥，我已经计算完成，请让我把结果写回 0x200000 地址的空间。这些地址存在于代码指令字段后的常数，或者存在于某个寄存器中。

设想一下，如果一台计算机的内存中只运行一个程序 A，这种方式正好用前面 CPU 的实模式来运行，因为程序 A 的地址在链接时就可以确定，例如从内存地址 0x8000 开始，每次运行程序 A 都装入内存 0x8000 地址处开始运行，没有其它程序干扰。现在改变一下，内存中又放一道程序 B，程序 A 和程序 B 各自运行一秒钟，如此循环，直到其中之一结束。这个新场景下就会产生一些问题，当然这里我们只关心内存相关的这几个核心问题。

2） 谁来保证程序 A 跟程序 B 没有内存地址的冲突？

• 换句话说，就是程序 A、B 各自放在什么内存地址，这个问题是由 A、B 程序协商，还是由操作系统决定？

3）如何解决内存容量问题？

• 程序 A 和程序 B，在不断开发迭代中程序代码占用的空间会越来越大，导致内存装不下？

4）如果还要拓展其他程序又该怎么办？

• 如果不只程序 A、B，还可能有程序 C、D、E、F、G……它们分别由不同的公司开发，而每台计算机的内存容量不同。这时候，又对我们的内存方案有怎样的影响呢？

5）怎样完美的解决以上最核心的 4 个问题？

• 所有的程序都各自享有一个从 0 开始到最大地址的空间，这个地址空间是独立的，是该程序私有的，其它程序既看不到，也不能访问该地址空间，这个地址空间和其它程序无关，和具体的计算机也无关。---虚拟地址

6）什么是虚拟地址？

• 不存在的地址，逻辑上的，和具体的环境无关。这个环境包括软件环境和硬件环境。

7）我们用 objdump 工具反汇编一下 Hello World 二进制文件看看长什么样？

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 00000000000004e8 <_init>:
  4e8:  48 83 ec 08            sub    $0x8,%rsp
  4ec:  48 8b 05 f5 0a 20 00   mov    0x200af5(%rip),%rax        # 200fe8 <__gmon_start__>
  4f3:  48 85 c0               test   %rax,%rax
  4f6:  74 02                  je     4fa <_init+0x12>
  4f8:  ff d0                  callq  *%rax
  4fa:  48 83 c4 08            add    $0x8,%rsp
  4fe:  c3                     retq

• 左边第一列数据就是虚拟地址,第三列中是程序指令，如：“mov 0x200af5(%rip),%rax，je 4fa，callq *%rax”指令中的数据都是虚拟地址。

8）为什么所有的应用程序开始的部分都是这样的？

• 因为每个应用程序的虚拟地址空间都是相同且独立的。

9）那么这个地址是由谁产生的呢？

• 链接器

10）什么是物理地址呢？

• 一个会被地址译码器等电子部件变成电子信号的数据，这个电子信号放到地址总线上去，多个信号组合起来呢就可以表示为我们内存的一个存储单元了。

11）地址总线上的信号（即物理地址）除了可以选择内存之外，还可以选择那些地方？

• 显卡中的显存、I/O 设备中的寄存器、网卡上的网络帧缓存器。

12）虚拟地址到物理地址如何转换？

• 转换机构：相当于一个函数：p=f(v)，输入虚拟地址 v，输出物理地址 p。

13）那么要怎么实现这个函数呢？

• 软件方式实现太低效，用硬件实现没有灵活性。

• 最终就用了软硬件结合的方式实现，它就是 MMU（内存管理单元）。

14）MMU 工作原理框架图是怎样的？

• 注意地址关系转换表本身则是放物理内存中的。

15）地址关系转换表中逻辑地址和物理地址的对应关系是怎样的？

• 把虚拟地址空间和物理地址空间都分成同等大小的块，也称为页，按照虚拟页和物理页进行转换。根据软件配置不同，这个页的大小可以设置为 4KB、2MB、4MB、1GB，这样就进入了现代内存管理模式——分页模型。

16）分页模型框架是怎样的？

• 一个虚拟页可以对应到一个物理页，页大小固定。所以在地址关系转换表中，只要存放虚拟页地址对应的物理页地址就行了。

17）MMU是做什么工作的？

• 接受虚拟地址和地址关系转换表，以及输出物理地址。

18）MMU的工作需要什么前提条件？

• 必须先开启保护模式或者长模式，实模式下是不能开启 MMU 的。

19）保护模式的内存模型是分段模型，而MMU是分页模型的，那怎么说保护模式下可以工作？

• 别忘了我们的保护模式下还有个平坦模式，绕过我们的分段模型。

20）地址产生的过程是怎样的？

21）地址关系转换表更专业的名字是什么？

• 页表

22）为了提高查询效率，页表是分级的，那么页表分级的结构是怎样的？

• 一个顶级页目录，多个中级页目录，最后才是页表。

23）开启 MMU，步骤是怎样的？

• 使 CPU 进入保护模式或者长模式。

• 准备好页表数据，这包含顶级页目录，中间层页目录，页表，假定我们已经编写了代码，在物理内存中生成了这些数据。

• 把顶级页目录的物理内存地址赋值给 CR3 寄存器。

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   mov eax, PAGE_TLB_BADR ;页表物理地址
   mov cr3, eax

• 设置 CPU 的 CR0 的 PE 位为 1，这样就开启了 MMU。

   ​
   ;开启 保护模式和分页模式
   mov eax, cr0
   bts eax, 0    ;CR0.PE =1
   bts eax, 31   ;CR0.P = 1
   mov cr0, eax

   

24）MMU 的主要功能是根据页表数据把虚拟地址转换成物理地址，但有没有可能转换失败？

• 绝对有可能，例如，页表项中的数据为空，用户程序访问了超级管理者的页面，向只读页面中写入数据。这些都会导致 MMU 地址转换失败。

25）MMU 地址转换失败了怎么办呢？

• MMU 停止转换地址。

• MMU 把转换失败的虚拟地址写入 CPU 的 CR2 寄存器。

• MMU 触发 CPU 的 14 号中断，使 CPU 停止执行当前指令。

• CPU 开始执行 14 号中断的处理代码，代码会检查原因，处理好页表数据返回。

• CPU 中断返回继续执行 MMU 地址转换失败时的指令。

26）在分页模式下，操作系统是如何对应用程序的地址空间进行隔离的？

• 对于每个进程而言，它会误认为(被操作系统欺骗)自己独有所有地址空间，因此它访问地址是不会考虑任何问题的，可是这个地址是虚拟地址，待被MMU翻译后会得到对应的页表，而这个页表由操作系统管理，不同的进程拥有不同的页表，也因此产生了进程地址空间隔离，但是多个进程也是可以共享某个页表，这也是进程通信(IPC)的根本手段。