5.2 IA32 CPU内存管理机制

5.2.1 IA32 CPU内存管理机制概述

IA32的内存管理机制由两部分组成：分段和分页。其中，分段提供了一种机制，使得应用程序或操作系统的数据、代码、堆栈等可以相互隔离，避免相互影响，在多任务（多进程）的情况下，每个任务都有自己特定的段，这样每个任务之间也不会相互影响。而分页机制则提供了按需内存分配、虚拟内存等机制，有了这些机制的支持，就可以实现应用程序的部分装入（应用程序执行映像只加载特定的部分到内存中就可以开始执行）等功能。当然，分页机制也可以用于应用程序之间的隔离（或保护）。在IA32体系构架的CPU中，是否启用分页机制是一个可选项，通过设置CR0寄存器（控制寄存器）的某一个比特，可以禁止或启用分页机制，而分段机制则不然，任何情况下都是启用的，没有一种方法可以禁止分段功能。

IA32 CPU提供的这种内存管理机制十分灵活。最简单的情况下，采用平展段模式，禁止分页，可以实现最简单的、与物理内存一样的内存管理模型；最复杂的情况下，采用独立的段管理不同进程（或操作系统）的不同数据（代码、数据、堆栈等），采用分页机制实现虚拟内存、按需内存分配等，可以实现最完整的程序保护，可以确保操作系统不受任何应用程序的影响，且应用程序之间也互不影响，而同一个应用程序内采用段保护机制，也不会出现堆栈溢出、非法访问等异常情况。

图5-1很清楚地表示了这种内存管理机制。

图5-1 Intel CPU（IA32）内存管理机制

从图5-1中可以看出，通过分段的方式，把CPU可寻址的整个地址空间（此处叫做线性地址空间）分成了若干部分，每部分对应一个段。要描述每个段，就需要知道这个段在线性地址空间中的基地址（起始地址）以及该段的长度（界限），对于不同的段（比如代码段、数据段等），还有不同的访问方式（只读、读写等），所有这些数据存放在一个段描述表中（图5-1中对应的GDT），段描述表的每一项（称为段描述符）描述了一个特定的段。要访问一个段内的特定字节，需要给出两个数据：该段的描述符（用以确定段的基地址）和该字节在段中的偏移（相对于段基地址）。在IA32的实现中，段描述符表存放在物理内存中，整个段描述符表的初始地址存放在一个特定的寄存器GDTR中，因此，在访问段描述符的时候，需要通过GDTR查找到描述符表对应的物理内存起始地址，然后再根据描述符在描述符表中的索引，定位到具体的段描述符的物理地址。段描述符在描述符表中的索引，称为段选择子。对于所有的段，由于GDTR是固定的，所以，给出一个段选择子，就可以准确定位到具体的段，也就是说，段描述符和段选择子是一一对应的。因此，要访问特定段内的一个字节，只需要给出一个段选择子和该字节在该段中的偏移位置即可。这两者的组合（段选择子和段内偏移）称为逻辑地址。在IA32的段寄存器（CS、DS等）中，存放的实际上就是段选择子。图5-2示意了逻辑地址和线性地址的关系。

图5-2 逻辑地址和线性地址的关系

给出一个逻辑地址后，CPU就根据段选择子查找到对应的段描述符，从段描述符中获得段的基地址（在线性地址空间中），然后把基地址跟逻辑地址的字节偏移部分相加，就获得一个线性地址。若没有启用分页机制，这个线性地址就可以直接映射到物理地址了。可以看出，这个过程是复杂的，需要多次访问物理内存，这样势必造成效率上的折扣。为了解决这个问题，IA32构架的CPU采用段寄存器来存储段选择子，在访问段内数据的时候，逻辑地址的选择子部分直接从段寄存器中获取。按照当前的实现，代码段选择子从CS寄存器内获得，数据段选择子从DS寄存器内获得，堆栈段选择子从SS寄存器内获得。因此，访问具体数据的时候需要根据数据所在的段，先把段选择子装入特定的段寄存器。为了进一步提高效率，IA32还实现了影子寄存器的机制。CS/DS等段寄存器还包含了不可见的影子部分，影子部分存储了当前段的起始地址和段界限，这些数据在初始化CS/DS等段寄存器的时候，由CPU统一初始化，这样在访问段内数据时，就不用再从物理内存中获取段描述符，然后再获得段基址了，而是直接从影子寄存器内获得段基址。在这样的机制下，访问一个段内的一个字节，只通过一次内存访问操作就完成了，大大提高了效率。段寄存器和影子寄存器的关系如图5-3所示。

图5-3 段寄存器和影子寄存器的关系