計(jì)算機(jī)尋址

1、32位cpu地址總線擴(kuò)展成了32位，這和數(shù)據(jù)總線的寬度是一致的。因此，在32位機(jī)里其實(shí)并不需要采用“物理地址=段：偏移”這種地址表達(dá)方式。原來在16位機(jī)里規(guī)定的每一個段不大于64kb在32位機(jī)里也不是必要的。所以，對于32位機(jī)來講，最簡單的方法就是用一個32位數(shù)來標(biāo)識一個字節(jié)的存儲地址，尋址時只要給出一個32位數(shù)就可以直接找到地址。這種地址儲存模型就屬于“平展儲存模型”。但是，新產(chǎn)品一般都希望遵循“向下兼容”這個原則。所以，32位機(jī)里完

2、整的保留了16位尋址模式。即：尋址能力為1M；分段機(jī)制；每段不超過64kb。這就是通常所說的“實(shí)模式“。在地址儲存模型中屬于“實(shí)地址儲存模型”。其次，考慮到程序通常都是功能化的模塊，所以分段雖然不是必要的，但分段卻能大大提高編程者管理程序的效率。故而32位機(jī)也采用了段偏移的模式來尋址。但與實(shí)模型不同的是，由于地址線和數(shù)據(jù)線寬度一致，因而，每個段最大可以到4G，并且段基址也是32位的無需進(jìn)行左移處理。在地址儲存模型中這屬于“段地址儲存模型

3、”。然而需要注意的是，在32位機(jī)里，雖然通用寄存器，標(biāo)志寄存器等都擴(kuò)展成了32位，但是段寄存器卻依然是16位的（為什么不做改變？？我猜可能是這樣便于向下兼容）。所以在32位尋址時，段寄存器里放的不再是段基址（位數(shù)不夠，放不下）而是一個選擇子。這個選擇子對應(yīng)了一個64bit長的描述符，64bit的描述符里有32bit是段基址。所以原來在16位機(jī)里通過段寄存器一步就可以找到段基址，而現(xiàn)在在32位機(jī)里分成了兩步：先找選擇子，然后通過選擇子找段

4、基址。段基址找到了，再加上偏移地址，物理地址就找到了。看樣子，32位段模式尋址已經(jīng)介紹清楚了。其實(shí)，這里頭的故事還遠(yuǎn)沒有講完。在上面簡述的過程中，很容易發(fā)現(xiàn)有兩個問題沒有交待。（1）CPU是如何將選擇子與描述符對應(yīng)起來的？（2）既然是64bit的描述符，32位用來表示基地址，那么余下的32位是干什么用的？另外，當(dāng)32位機(jī)發(fā)展起來的同時，操作系統(tǒng)也有了長足進(jìn)步，單任務(wù)模式的DOS被多任務(wù)的windows所取代。也就是說，現(xiàn)在駐留在內(nèi)存中的

5、往往不止是一個程序，而很可能是多個程序同時在內(nèi)存中?，F(xiàn)在又沒有了段大小的限制，程序之間便很有可能相互搶地址，如果核心程序被破壞，計(jì)算機(jī)就會崩潰。這就好比在馬路上走車，如果只有一輛車開，怎么開都可以，但是如果車多了不制定個交通規(guī)則，車便會搶道，道路就會癱瘓。所以，在多任務(wù)的情況下，必須給尋址也制定一個“交通規(guī)則”，這樣才能保證多任務(wù)系統(tǒng)有序的工作。制定什么樣的規(guī)則呢？首先，既然程序是在無意識的情況下?lián)屨剂藙e的程序的地址，那么如果在尋址時包

6、含一個查詢的過程就可以有效的避免搶地址的情況發(fā)生。也就是說，先得問一問那個地址是去找到這片新天地。人就是在這樣的前行中不斷讓事情變得更完美。到這里，我們對于尋址過程的了解，只是開了一個頭而已，但這是一個好頭，我們體會到了32位cpu的強(qiáng)大優(yōu)勢。這足以讓我們對完整的32位CPU尋址充滿了期待。讓我們鼓舞士氣，沿著前人的足跡繼續(xù)前行吧！我們知道，程序代碼和數(shù)據(jù)必須駐留在內(nèi)存中才能得以運(yùn)行，然而系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)量很有限，往往不能容納一個完整程序的所

7、有代碼和數(shù)據(jù)，更何況現(xiàn)在是多任務(wù)系統(tǒng)，想讓內(nèi)存駐留所有任務(wù)程序顯然不太可能。老式系統(tǒng)就是將程序分割成小份，只讓當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行它所有需要的那部分留在內(nèi)存，其它部分都留在硬盤。當(dāng)系統(tǒng)處理完當(dāng)前任務(wù)片段后，再從外存中調(diào)入下一個待運(yùn)行的任務(wù)片段，而且這個工作是由程序員自行完成。顯然這增加了程序員的負(fù)擔(dān)。由此針對多任務(wù)系統(tǒng)發(fā)展了一種虛擬內(nèi)存技術(shù)。虛擬內(nèi)存技術(shù)就是一種由操作系統(tǒng)接管的按需動態(tài)內(nèi)存分配的方法，它允許程序不知不覺中使用大于實(shí)際物理空間大小

8、的存儲空間(其實(shí)是將程序需要的存儲空間以頁的形式分散存儲在物理內(nèi)存和磁盤上)。虛擬內(nèi)存是將系統(tǒng)硬盤空間和系統(tǒng)實(shí)際內(nèi)存聯(lián)合在一起供進(jìn)程使用給進(jìn)程提供了一個比內(nèi)存大得多的虛擬空間。在程序運(yùn)行時，把虛擬地址空間的一小部分映射到內(nèi)存，其余都存儲在硬盤上（也就是說程序虛擬空間就等于實(shí)際物理內(nèi)存加部分硬盤空間）。當(dāng)被訪問的虛擬地址不在內(nèi)存時，則說明該地址未被映射到內(nèi)存，而是被存貯在硬盤中，因此需要的虛擬存儲地址隨即被調(diào)入到內(nèi)存；同時當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)存緊張時

9、，也可以把當(dāng)前不用的虛擬存儲空間換出到硬盤，來騰出物理內(nèi)存空間。這樣，為了提高系統(tǒng)性能，發(fā)展了虛擬內(nèi)存技術(shù)，那么相應(yīng)的，32位cpu也應(yīng)該發(fā)展新的尋址技術(shù)來管理虛擬內(nèi)存。這是通過頁機(jī)制頁機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槭褂庙摍C(jī)制的原因，前面提到的通過段機(jī)制轉(zhuǎn)換得到的地址僅僅是作為一個中間地址——線性地址了，該地址不代表實(shí)際物理地址，而是代表整個進(jìn)程的虛擬空間地址。還得有一個將虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址的過程。讓我們來認(rèn)識一下頁機(jī)制。它就是把內(nèi)存分成一個一

10、個連續(xù)的頁，每頁大小4kb。與段不同，頁不是程序功能塊的體現(xiàn)。一個程序功能塊可能占用好多個頁?，F(xiàn)在內(nèi)存就像一本書了，一頁一頁的，每頁的容量都是相等的。當(dāng)然，我們很快可以聯(lián)想到，要想能夠很快的找到某頁，最好給這本書分個章或者節(jié)什么的，然后逐級地向下查詢。這就是32位cpu里頁目錄和頁表所起的作用。頁目錄的長度是4kb，它最多可以包含1024個頁目錄項(xiàng)，每個頁目錄項(xiàng)32bit，包含了頁表的地址和有關(guān)信息。所以，頁目錄把4Gb空間分成了102