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1、大话 Linux 内核 X86 内存管理作者：Alanx Email: 即然用“大话”二字，表明本文非正规的教程，可能会有勘误，也可能因本人水平有限，存在的理解错误，希望大家能及时帮我纠正这些错误，以免误人子弟。很早以前我一直想研究内核，但通常看完第一章linux 介绍后，在第二章的内存管理上一头雾水，兴趣顿失。这几天刚好忙完项目，有些时间，所以仔细思考了一下，终于对内存管理的一点肤浅的认识，即尔提笔写此文章。希望对同样对内存管理茫然无助的朋友有所帮助。一、最简单的内存管理模式应该是什么样子的？我们都知道，内存存取的最小单位是字节，我们的程序每次可以存取一个字节的内存单元。那么好了，让我们时光
2、倒流，回到计算机设计的最初。如果是我设计，可能是这样的。我有一个 16 位的地址总线，那么这 16 位地址总线可以表示的范围是065535 个数。即 64K个数。如果我用这16 位地址总线来存取内存单元，那么最多可能存取64K 个字节。这时，如果我们有一个16 位的寄存器。可以在寄存器中保存这任何一个内存单元的地址。图：0 x1 0 x2 0 x3 0 x4 0 x5 0 xfffc 0 xfffd 0 xfffe 0 xffff 寄存器0 xfffc 那么可能有人会说。64K 个字节太小了。我想要大点可以吗？有一个办法就是增加地址总线的宽度。比如，我们的8086 把地址总线设计成了20 位。
3、那么这20 位总线可以表示的是 1M 个数，即通过20 位地址总线可以访问1M 个内存单元。可问题又来了，因为 8086 的寄存器是16 位的。如果我要把一个内存地址简单的存到寄存器中，只能最大表示64K 的内存。如果再多就无法表示了。那么怎么解决这个问题的。就必须把寄存器也设计成20 位。或再想其它的办法。Intel 公司的硬件工程师没有选择扩大寄存器的位数，而是想出了一个办法。他们用二个寄存器来表示内存地址。有点类似于我们的数学中的10 位数，比如27，用第一个寄存器表示2，用第二个寄存器表示7。如图：0 x1 0 x1AFFFF 0 x1B0000 0 x1B0001 1FFFFF 但二
4、个寄存器表示的范围太大了，每个16 位，二个就是32 位，足以表示4G(0 xFFFFFFFF)大小的内存。而实际上8086 的地址总线只有20 位。所以他们让二个寄存器错位叠加来表示一个 20 位的内存地址。把第一个寄存器向前错4 位再加上第二个寄存器。从而得到一个200 x001A0 xFFFF 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 3 页 -位的内存地址。这是就是传说中的8086 的段。如图：0 x1 0 x1AFFFF 0 x1B0000 0 x1B0001 1FFFFF 随着时间的推移，硬件的制造水平也不断发展。人们造出了32 位的寄存器。地址总线也变成了 3
5、2 位（注：286 24 位地址时代这里略过）。这就简单了，可以用32 位寄存器直接来存放 32 位的内存地址了。如果这时设计计算机会变的简单许多。但 8086 时代已经前生了很多运行在分段模式的应用程序，这些程序将不能应用在新设计的32 位计算机上。所以Intel的硬件设计师不得不兼容以前的老程序，而在硬件设计上作出折中的解决方案。于是二个名词产生了即实模式与保护模式。1、实模式在 Intel 设计的 386 计算机中，如果不作开启保护模式的操作，将在这种模式上对内存进行存取，这种模式即我们前面所说的内存存取方式。虽然寄存器全部是32 位的。但这种模式下只能用其低16 位，所能存取的内存也最
6、大只有1M。1M 以上的内存对这种模式来说无法对其操作。2、保护模式通过设定某个特殊的寄存器中相应的位，我们可以开启这种模式。开启这种模式后，我们就可以用完整的32 寄存器了。即然可以用32 位寄存器了，我们是否就可以简单的设计一个计算机，用一个寄存器表示一个实际的内存地址然后直接存取呢？实际情况远非如此。请考虑如下问题，有二个用户分别运行计算机上的二个程序。但这二个用户都有各自的秘密，A 用户用程序把秘密存入在内存单元0X8000 处，B 用户把秘密存放在内存单位0 x9000 处。如果用我们设计的计算来运行，二个用户根本无法保护自已的秘密。因为无论是谁都可以通过寄存器来访问这个二地址。那怎
7、样才能保护这二个地址的秘密呢？这就是保护模式要处理的问题。这时硬件设计者们又提出了二个概念，逻辑地址与 物理地址。让二个用户仍然认为他们的秘密保存到了他们想保存的内存地址中，但这个内存地址是逻辑地址，也就是说这二个地址只是他们自已知道的逻辑上的地址，并非真实的保存在这二个地址的内存中（物理内）。而是由操作系统来决定这二个地址存放到哪里。同时，操作系统严格的保守这二个真实地址（物理地址）的位置信息。不会让这二个用户知道。在此，就需要操作系统与硬件来配合完成这样的工作。在硬件设计上，用三个寄存器来生成一个内存的实地址。0 x1A0 00 x FFFF 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 3 页 -段表寄存器、段选择寄存器以及一个32 位的地址寄存器。由操作系统来管理段表寄存器的值，以及段表寄存器指向的物理地址的内容。而应用程序来管理自身的段选择寄存器。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 3 页 -