虛擬地址和物理地址的含義

 

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但沒有啓用,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(以下稱爲物理內存,以便與虛擬內存區分)接收,這稱爲物理地址(Physical Address,以下簡稱PA),如下圖所示。

                                                      

                                                                             物理地址示意圖

如果CPU啓用了MMU,CPU核發出的地址將被MMU截獲,從CPU到MMU的地址稱爲虛擬地址(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)爲單位的,對於32位CPU通常一頁爲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爲一個頁框(Page Frame)。

內核也不能直接訪問物理地址.但因爲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)
用於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,然後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,內存的尋址方式並不是這樣。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於形而上的抽像。

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。它是相對於物理內存來講的,可以直接理解成“不直實的”,“假的”內存,例如,一個0x08000000內存地址,它並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,是因爲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。(拆東牆,補西牆,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,因爲轉換後的物理地址並非相同的。
——可以把連接後的程序反編譯看一下,發現連接器已經爲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爲了兼容,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,我們說的連接器爲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,表示爲 [段標識符:段內偏移量],也就是說,上例中那個0x08111111,應該表示爲[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,那麼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爲物理地址,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,先將爲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,轉換爲最終物理地址。

這樣做兩次轉換,的確是非常麻煩而且沒有必要的,因爲直接可以把線性地址抽像給進程。之所以這樣冗餘,Intel完全是爲了兼容而已。

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於機器主存的大小,這些多出來的空間對於程序來說是可以用的,這個時候的所有地址都稱爲虛擬地址

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)可以管理的容量爲最大地址,而實際上這個容量(由地址產生的)遠大於實際存在的容量;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)允許範圍內使用就行了(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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