虛擬地址與物理地址的轉換
虛擬地址與物理地址的轉換
虛擬地址轉換為物理地址的第一步是將從處理器得到的虛擬地址和TLB中的虛擬地址進行比較。，今天學習啦小編與大家分享下虛擬地址與物理地址的轉換，有需要的朋友不妨了解下。
虛擬地址與物理地址的轉換
已知一個虛擬地址0x01AF5518, 則轉換的過程如下:
注意: *這里討論的以Windows下普通模式分頁的情況, 也就是2級頁表的情況*
1.首先把虛擬地址拆分成3個部分(低12位, 中10位, 高10位), 換成2進制如下:
-> 0000 0001 1010 1111 0101 0101 0001 1000
按照10, 10, 12的位數重新排列后
-> (頁目錄索引)00 000 00110, (頁表項索引)10 1111 0101, (偏移)0101 0001 1000
換算成十六進制后可以得到如下結果
頁目錄索引 = 6, 頁表項索引 = 0x2f5 , 偏移 = 0x518
2. 根據當前的CR3寄存器中的物理地址定位頁目錄表基址
Cr3中存放的是物理地址, 這個物理地址指向進程的頁目錄表基址, 由此可以得到
頁目錄表基址(PDE) = Cr3 = 0xAA0E5000
3. 計算頁表項的地址
頁表地址存放在頁目錄表(PDE)中的第6個項目中, 也就是
[0xAA0E5000 + 4 * 6] = [0xAA0E5018] = 0x3D955867, 其中0x00000867為該頁表屬性值, PTE = 0x3D955000
3. 計算頁面物理地址
我們要找的頁面在這個頁表中的第0x2f5項, 所以虛擬地址所在的頁的物理地址為
[0x3D955000 + 0x2f5 * 4] = [0x3D955BD4] =
假設[0x3D955BD4] = 0x7095e847, 頁面的物理地址 x0x7095e000, 0x00000847表示的是頁面屬性
4. 計算最終的物理地址
由虛擬地址分離的偏移可以計算出最終的物理地址為
0x7095E000 + 0x00000518 = 0x7095E518.
虛擬地址和物理地址的概念
CPU通過地址來訪問內存中的單元，地址有虛擬地址和物理地址之分，如果CPU沒有MMU(Memory Management Unit，內存管理單元)，或者有MMU但沒有啟用，CPU核在取指令或訪問內存時發出的地址將直接傳到CPU芯片的外部地址引腳上，直接被內存芯片(以下稱為物理內存，以便與虛擬內存區分)接收，這稱為物理地址(Physical Address，以下簡稱PA)，如下圖所示。
物理地址示意圖
如果CPU啟用了MMU，CPU核發出的地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱為虛擬地址(Virtual Address，以下簡稱VA)，而MMU將這個地址翻譯成另一個地址發到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將虛擬地址映射成物理地址，如下圖所示[1]。
虛擬地址示意圖
MMU將虛擬地址映射到物理地址是以頁(Page)為單位的，對于32位CPU通常一頁為4K。例如，虛擬地址0xb700 1000~0xb700 1fff是一個頁，可能被MMU映射到物理地址0x2000~0x2fff，物理內存中的一個物理頁面也稱為一個頁框(Page Frame)。
內核也不能直接訪問物理地址.但因為內核的虛擬地址和物理地址之間只是一個差值0xc0000000的區別,所以從物理地址求虛擬地址或從虛擬地址求物理地址很容易,+-這個差就行了
物理地址(physical address)
用于內存芯片級的單元尋址，與處理器和CPU連接的地址總線相對應。
——這個概念應該是這幾個概念中最好理解的一個，但是值得一提的是，雖然可以直接把物理地址理解成插在機器上那根內存本身，把內存看成一個從0字節一直到最大空量逐字節的編號的大數組，然后把這個數組叫做物理地址，但是事實上，這只是一個硬件提供給軟件的抽像，內存的尋址方式并不是這樣。所以，說它是“與地址總線相對應”，是更貼切一些，不過拋開對物理內存尋址方式的考慮，直接把物理地址與物理的內存一一對應，也是可以接受的。也許錯誤的理解更利于形而上的抽像。
虛擬內存(virtual memory)
這是對整個內存(不要與機器上插那條對上號)的抽像描述。它是相對于物理內存來講的，可以直接理解成“不直實的”，“假的”內存，例如，一個0x08000000內存地址，它并不對就物理地址上那個大數組中0x08000000 - 1那個地址元素;
之所以是這樣，是因為現代操作系統都提供了一種內存管理的抽像，即虛擬內存(virtual memory)。進程使用虛擬內存中的地址，由操作系統協助相關硬件，把它“轉換”成真正的物理地址。這個“轉換”，是所有問題討論的關鍵。
有了這樣的抽像，一個程序，就可以使用比真實物理地址大得多的地址空間。(拆東墻，補西墻，銀行也是這樣子做的)，甚至多個進程可以使用相同的地址。不奇怪，因為轉換后的物理地址并非相同的。
——可以把連接后的程序反編譯看一下，發現連接器已經為程序分配了一個地址，例如，要調用某個函數A，代碼不是call A，而是call 0x0811111111 ，也就是說，函數A的地址已經被定下來了。沒有這樣的“轉換”，沒有虛擬地址的概念，這樣做是根本行不通的。
打住了，這個問題再說下去，就收不住了。
邏輯地址(logical address)
Intel為了兼容，將遠古時代的段式內存管理方式保留了下來。邏輯地址指的是機器語言指令中，用來指定一個操作數或者是一條指令的地址。以上例，我們說的連接器為A分配的0x08111111這個地址就是邏輯地址。
——不過不好意思，這樣說，好像又違背了Intel中段式管理中，對邏輯地址要求，“一個邏輯地址，是由一個段標識符加上一個指定段內相對地址的偏移量，表示為 [段標識符：段內偏移量]，也就是說，上例中那個0x08111111，應該表示為[A的代碼段標識符: 0x08111111]，這樣，才完整一些”
線性地址(linear address)或也叫虛擬地址(virtual address)
跟邏輯地址類似，它也是一個不真實的地址，如果邏輯地址是對應的硬件平臺段式管理轉換前地址的話，那么線性地址則對應了硬件頁式內存的轉換前地址。
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CPU將一個虛擬內存空間中的地址轉換為物理地址，需要進行兩步：首先將給定一個邏輯地址(其實是段內偏移量，這個一定要理解!!!)，CPU要利用其段式內存管理單元，先將為個邏輯地址轉換成一個線程地址，再利用其頁式內存管理單元，轉換為最終物理地址。
這樣做兩次轉換，的確是非常麻煩而且沒有必要的，因為直接可以把線性地址抽像給進程。之所以這樣冗余，Intel完全是為了兼容而已。
物理地址就是，機器內主存的地址，包括RAM和ROM
邏輯地址就是，程序運行在內存中，使用的地址。
虛擬地址就是，cpu支持的內存空間遠遠大于機器主存的大小，這些多出來的空間對于程序來說是可以用的，這個時候的所有地址都稱為虛擬地址
物理地址：最小系統下的存儲器的實際地址，一般只是由CPU內存控制器(地址線)可以管理的容量為最大地址，而實際上這個容量(由地址產生的)遠大于實際存在的容量;實際的存儲器容量所需要的地址(內存)控制器管理的容量;它的大小一般由芯片決定
邏輯地址：相對程序員而言使用的地址，或說程序無需知道具體的實際地址管理數，而只要在系統(操作)允許范圍內使用就行了(這時使用的是一種算法控制下的地址，實際上它只是借用地址概念產生的程序運行模式)，它所要說明的是方便，也就是一個線性的(最好)的程序(指令)排列方式。它的大小一般由操作系統決定
虛擬地址：將具有存儲功能的所有存儲器(不僅僅是最小系統概念下的)，進行“統一”編址，而不考慮存儲器之間的差異(快慢等)，這時的地址是一個比邏輯地址理會數學化的編號(地址)，它的大小等往往由應用程序決定
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