分段
如图，地址空间（左）的堆和栈之间，有一块每一使用的内部碎片，但是，如果要将整个地址空间加载到内存，内部碎片也会被加载。在比较极端的情况下，有一个很大的地址空间，而地址空间的大部分是没有被使用的内部碎片，在加载到内存时，很可能因为没有足够大的连续空间而加载失败；即使加载成功，大量的内部碎片会造成内存极度的浪费。
在更多的情况下，地址空间的大小远远大于实际的物理内存，但是地址空间中使用到的空间却不多，这样的地址空间称为sparse address space（稀疏地址空间），因此，通过加载整个内存空间从而构建虚拟内存系统很不完善。
内部碎片不可避免，要解决内存浪费的问题，就是不加载内部碎片。因此，不能将整个内存空间直接加载到内存中，而是需要分段
分段：泛化的基址/界限
分段，就是要将地址空间的逻辑段加载到内存，而不是将整个地址空间加载到内存。所以，内部碎片不会被加载。
在之前不分段时，要将整个地址空间加载到内存，一个CPU需要通过一个基址寄存器记录起始的物理地址，需要一个界限寄存器记录地址空间的长度。
一个典型的地址空间有三个逻辑段：代码段（code）、堆段（heap）、栈段（stack）。要将这三个逻辑段装入内存，每一个逻辑段都需要一个基址寄存器和界限寄存器，对于有三个逻辑段的地址空间，MMU就需要3对基址/界限寄存器进行地址转换。分段的基址寄存器也被叫做段寄存器
举个例子：
当左边的地址空间分段的加载到内存后（如右图），段寄存器的值如下：
| 段 | 基址 | 大小(界限寄存器) |
|---|---|---|
| 代码 | 32KB | 2KB |
| 堆 | 34KB | 2KB |
| 栈 | 28KB 对于栈来说，它的生长方向是负增长 这里的28KB是栈底，也就是高地址的一端 而代码和堆是正方向增长，32KB和34B都是低地址的一端 |
2KB |
引用哪个段
问题来了：现在给出一个虚拟地址（假设地址长度为14bit），怎么知道这个虚拟地址表示的内存在哪个段？
隐式方式
根据硬件来判断：在访问内存时，基于程序计数器，则访问代码段；基于栈或基址指针，则访问栈段。
显式方式
使用虚拟地址开始的几位来标识不同的段。
举例：有14位的虚拟地址。如果有三个段（代码、堆、栈），则至少需要2位二进制标识不同的段。
因此，对虚拟地址有如下的划分
对虚拟地址划分的本质：将地址空间划分
所以通过掩码3000H，可以知道虚拟地址在哪个段。
通过掩码0fffH，可以知道虚拟地址相对于这个段的低地址端偏移量（一定要强调开始位置，因为对于栈来说，它的基址寄存器记录的是高地址端）。
再次使用上面的例子：
| 段 | 基址 | 大小(界限寄存器) |
|---|---|---|
| 代码 | 32KB | 2KB |
| 堆 | 34KB | 2KB |
| 栈 | 28KB 对于栈来说，它的生长方向是负增长 所以栈开始的物理地址是（28KB） 而不是26KB |
2KB |
现在，要访问虚拟地址为5KB的内存单元；
5KB使用二进制表示：01 0100 0000 0000
通过01，硬件可以知道在哪个段（本例中，是在堆段），段内的偏移为 0100 0000 0000 = 1KB
偏移量1KB<堆段限制寄存器的值（2KB），所以没有越界
物理地址 = 基址寄存器 + 偏移量 = 34KB + 1KB = 35KB
讨论一下“生长方向”
访问虚拟地址为15KB的内存单元。
15KB使用二进制表示：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 为什么会出错？
1100 0000 0000（3KB）是相对于11 0000 0000 0000（12KB）的偏移量，也就是说，是相对于“低地址端”的偏移量。
由于栈的生长方向是负的，基址寄存器记录的是“高地址端”的栈底。
从“低地址端”到“高地址端”的块，就是虚拟地址为11 0000 0000 0000，大小为4KB的一个划分。
相对于“低地址端”的偏移量为3KB，所以相对于“高地址端”的偏移量为3KB-4KB=-1KB。
因为偏移量的绝对值1KB<2KB，所以没有越界。物理地址 = 偏移量 + 基址寄存器 = -1 + 28KB = 27KB
地址转换总结
在计算物理地址时，一定要搞清楚是相对于哪一端（高地址或低地址），虚拟地址中的偏移量，是相对于低地址的偏移量。对于反向增长的段来说，基址寄存器记录的是高地址端，所以虚拟地址的偏移量不能直接使用，需要转换为相对于高地址端的偏移；对于正向增长的段，就不用这么麻烦。
操作系统的支持
- 上下文切换时，保存/恢复各个段寄存器的值。
- 管理空闲内存
- 注册异常处理程序
总结
分段，解决了因加载整个地址空间而引发的问题：因内部碎片太大而浪费物理内存。
分段没有解决的问题是产生外部碎片：在物理内存的多个段之间，存在着一些没有使用的空闲内存，它们可以被分配使用，但是，外部碎片往往空间不是很大，因此很难再被分配给其他段使用。
解决外部碎片的问题：紧凑（效率低，一般不会使用）、空闲内存管理、分页（后面的博客讨论）。