圖解CPU的內(nèi)存管理——徹底講透分段與分頁

先總結(jié)，后看圖：

1、作為OS的基礎(chǔ)，CPU能支持什么內(nèi)存訪問模型，OS就必須跟隨；

2、Intel CPU支持分段與分頁兩種模型；

3、Intel CPU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(zhuǎn)換；這部分在CPU的MMU模塊中由電路實(shí)現(xiàn)；

4、邏輯地址為程序二進(jìn)制的地址，是偏移量的形式存在，是個(gè)相對(duì)地址；這部分跟分段模型緊密相關(guān)；分段模型負(fù)責(zé)將CPU拿到的邏輯地址（主要是幾個(gè)寄存器的值，GDTR，CD，DS，SS）轉(zhuǎn)成一個(gè)線性地址（線性地址由OS生成）；

5、分頁模型就繼續(xù)接著分段模型生成的線性地址得到相應(yīng)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(nèi)存中，OS在啟動(dòng)過程中會(huì)分配；那么你可能會(huì)問，OS在啟動(dòng)的時(shí)候沒有段表與頁表之前怎么訪問內(nèi)存？CPU還支持更古老的實(shí)模式訪問內(nèi)存（程序中寫死物理地址的程序），8080就是這樣的東西，所以O(shè)S啟動(dòng)的時(shí)候也會(huì)用古老的方式啟動(dòng)，然后逐步進(jìn)化成現(xiàn)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(yùn)行在X86平臺(tái)又必須要有GDT，怎么辦？Linux干脆寫死，所有進(jìn)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(shè)計(jì)出來的，是歷史原因造就。早期的CPU能力不強(qiáng)如（8086，80X86）等等，但是實(shí)現(xiàn)了保護(hù)模式（就是可以跑多進(jìn)程），但是支持的進(jìn)程數(shù)不多，所以分段模型足夠了；所以GDT這個(gè)表被設(shè)計(jì)成一個(gè)數(shù)組；后來intel設(shè)計(jì)出越來越強(qiáng)大的CPU，一直到多核CPU，那么，支持的進(jìn)程數(shù)可以說幾十上百倍的增長，所以數(shù)組不行了；引入鏈表形式的——頁表來管理內(nèi)存映射，但是CPU是向下兼容的，所以哪怕是intel最先進(jìn)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(shè)計(jì)出來的，不要太過探究它的原因；

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

8、TLB與CacheLine其實(shí)一個(gè)東西（電路層），支持緩存行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的標(biāo)記與組號(hào)的位數(shù)不同而已（在圖中有詳解）。

9、總結(jié)下，CPU在執(zhí)行一個(gè)指令的時(shí)候，需要從內(nèi)存獲得數(shù)據(jù)，那么就需要通過地址線訪問內(nèi)存，為了得到指令所在內(nèi)存的物理地址，需要走分段模型——將邏輯地址轉(zhuǎn)為線性地址（虛擬地址），然后通過分頁單元將線性地址轉(zhuǎn)為物理地址；

10、CPU中的兩個(gè)Cache，因?yàn)樵L問內(nèi)存成本逐級(jí)增高，所以在邏輯地址轉(zhuǎn)為線性地址過程中為了少訪問內(nèi)存，使用了TLB組關(guān)聯(lián)高速緩存；而得到物理地址后，為了不訪問內(nèi)存，CPU內(nèi)部還有L1-L3級(jí)緩存（Cacheline）。

點(diǎn)擊查看大圖