分段
如圖，地址空間（左）的堆和棧之間，有一塊每一使用的內部碎片，但是，如果要將整個地址空間加載到內存，內部碎片也會被加載。在比較極端的情況下，有一個很大的地址空間，而地址空間的大部分是沒有被使用的內部碎片，在加載到內存時，很可能因爲沒有足夠大的連續空間而加載失敗；即使加載成功，大量的內部碎片會造成內存極度的浪費。
在更多的情況下，地址空間的大小遠遠大於實際的物理內存，但是地址空間中使用到的空間卻不多，這樣的地址空間稱爲sparse address space（稀疏地址空間），因此，通過加載整個內存空間從而構建虛擬內存系統很不完善。
內部碎片不可避免，要解決內存浪費的問題，就是不加載內部碎片。因此，不能將整個內存空間直接加載到內存中，而是需要分段
分段：泛化的基址/界限
分段，就是要將地址空間的邏輯段加載到內存，而不是將整個地址空間加載到內存。所以，內部碎片不會被加載。
在之前不分段時，要將整個地址空間加載到內存，一個CPU需要通過一個基址寄存器記錄起始的物理地址，需要一個界限寄存器記錄地址空間的長度。
一個典型的地址空間有三個邏輯段：代碼段（code）、堆段（heap）、棧段（stack）。要將這三個邏輯段裝入內存，每一個邏輯段都需要一個基址寄存器和界限寄存器，對於有三個邏輯段的地址空間，MMU就需要3對基址/界限寄存器進行地址轉換。分段的基址寄存器也被叫做段寄存器
舉個例子：
當左邊的地址空間分段的加載到內存後（如右圖），段寄存器的值如下：
| 段 | 基址 | 大小(界限寄存器) |
|---|---|---|
| 代碼 | 32KB | 2KB |
| 堆 | 34KB | 2KB |
| 棧 | 28KB 對於棧來說，它的生長方向是負增長 這裏的28KB是棧底，也就是高地址的一端 而代碼和堆是正方向增長，32KB和34B都是低地址的一端 |
2KB |
引用哪個段
問題來了：現在給出一個虛擬地址（假設地址長度爲14bit），怎麼知道這個虛擬地址表示的內存在哪個段？
隱式方式
根據硬件來判斷：在訪問內存時，基於程序計數器，則訪問代碼段；基於棧或基址指針，則訪問棧段。
顯式方式
使用虛擬地址開始的幾位來標識不同的段。
舉例：有14位的虛擬地址。如果有三個段（代碼、堆、棧），則至少需要2位二進制標識不同的段。
因此，對虛擬地址有如下的劃分
對虛擬地址劃分的本質：將地址空間劃分
所以通過掩碼3000H，可以知道虛擬地址在哪個段。
通過掩碼0fffH，可以知道虛擬地址相對於這個段的低地址端偏移量（一定要強調開始位置，因爲對於棧來說，它的基址寄存器記錄的是高地址端）。
再次使用上面的例子：
| 段 | 基址 | 大小(界限寄存器) |
|---|---|---|
| 代碼 | 32KB | 2KB |
| 堆 | 34KB | 2KB |
| 棧 | 28KB 對於棧來說，它的生長方向是負增長 所以棧開始的物理地址是（28KB） 而不是26KB |
2KB |
現在，要訪問虛擬地址爲5KB的內存單元；
5KB使用二進制表示：01 0100 0000 0000
通過01，硬件可以知道在哪個段（本例中，是在堆段），段內的偏移爲 0100 0000 0000 = 1KB
偏移量1KB<堆段限制寄存器的值（2KB），所以沒有越界
物理地址 = 基址寄存器 + 偏移量 = 34KB + 1KB = 35KB
討論一下“生長方向”
訪問虛擬地址爲15KB的內存單元。
15KB使用二進制表示：11 1100 0000 0000。
偏移量 = 1100 0000 0000 = 3KB
物理地址 = 偏移量 + 基址寄存器 = 3 + 28 = 31KB 爲什麼會出錯？
1100 0000 0000（3KB）是相對於11 0000 0000 0000（12KB）的偏移量，也就是說，是相對於“低地址端”的偏移量。
由於棧的生長方向是負的，基址寄存器記錄的是“高地址端”的棧底。
從“低地址端”到“高地址端”的塊，就是虛擬地址爲11 0000 0000 0000，大小爲4KB的一個劃分。
相對於“低地址端”的偏移量爲3KB，所以相對於“高地址端”的偏移量爲3KB-4KB=-1KB。
因爲偏移量的絕對值1KB<2KB，所以沒有越界。物理地址 = 偏移量 + 基址寄存器 = -1 + 28KB = 27KB
地址轉換總結
在計算物理地址時，一定要搞清楚是相對於哪一端（高地址或低地址），虛擬地址中的偏移量，是相對於低地址的偏移量。對於反向增長的段來說，基址寄存器記錄的是高地址端，所以虛擬地址的偏移量不能直接使用，需要轉換爲相對於高地址端的偏移；對於正向增長的段，就不用這麼麻煩。
操作系統的支持
- 上下文切換時，保存/恢復各個段寄存器的值。
- 管理空閒內存
- 註冊異常處理程序
總結
分段，解決了因加載整個地址空間而引發的問題：因內部碎片太大而浪費物理內存。
分段沒有解決的問題是產生外部碎片：在物理內存的多個段之間，存在着一些沒有使用的空閒內存，它們可以被分配使用，但是，外部碎片往往空間不是很大，因此很難再被分配給其他段使用。
解決外部碎片的問題：緊湊（效率低，一般不會使用）、空閒內存管理、分頁（後面的博客討論）。