操作系統(tǒng)中的邏輯地址和物理地址

本文是關(guān)于操作系統(tǒng)中邏輯地址和物理地址之間的區(qū)別。計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中的內(nèi)存使用兩種不同類型的地址;物理地址是內(nèi)存的實(shí)際地址，如RAM，虛擬地址只是緩存和RAM之間的邏輯地址映射。

在操作系統(tǒng)中，每當(dāng)我們談?wù)摯a或其部分的地址或地址空間時(shí)，我們指的是該部分代碼所在的內(nèi)存位置。讓我們通過一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活中的異常來了解操作系統(tǒng)中的尋址。在現(xiàn)實(shí)生活中，我們的房子都有特定的地址，所以如果我們想去某個(gè)特定的人的地方，我們會記得他/她的房子的地址。

操作系統(tǒng)中的地址也是如此。我們將數(shù)據(jù)存儲在不同位置的內(nèi)存中，并為它們分配不同的地址，以便我們將來可以使用存儲它們的相同地址再次訪問它們。在操作系統(tǒng)中，我們使用 32 位體系結(jié)構(gòu)中的 32 位地址空間和0xFFFFFFFF形式的十六進(jìn)制數(shù)，從 0x00000000到0xFFFFFFFF。

在對地址以及為什么需要它們進(jìn)行了快速討論之后，我們現(xiàn)在將區(qū)分邏輯地址和物理地址。

1、邏輯地址簡介

當(dāng)我們談?wù)撨壿嫷刂窌r(shí)，我們指的是CPU分配給每個(gè)進(jìn)程的地址。正如我們已經(jīng)討論過的，一個(gè)進(jìn)程在內(nèi)存中所處的實(shí)際地址與進(jìn)程認(rèn)為它所處的地址是不一樣的。這種地址映射基本上是在進(jìn)程共享內(nèi)存時(shí)所必需的，而不需要讓進(jìn)程知道它們彼此共享相同的內(nèi)存空間?，F(xiàn)在讓我們來討論邏輯地址。

每當(dāng) CPU 運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程時(shí)，它都會為該進(jìn)程分配一個(gè)特定的內(nèi)存。下圖簡要說明了內(nèi)存段在不同部分的劃分，其中程序代碼段位于低地址，棧位于高地址。

圖1：進(jìn)程的內(nèi)存空間

此分配的內(nèi)存空間位于 CPU 為進(jìn)程生成的虛擬地址(虛擬或邏輯地址)，指示進(jìn)程的代碼、堆和堆棧部分將駐留的進(jìn)程的內(nèi)存空間。這個(gè)邏輯地址無疑與內(nèi)存空間的實(shí)際地址不同。虛擬地址也稱為指向主存儲器中實(shí)際或物理地址的引用或指針。

大多數(shù)操作系統(tǒng)在其程序中都定義了基地址，在生成邏輯地址時(shí)，CPU 生成一個(gè)地址，程序?qū)⒒刂放c CPU 生成的地址相加得到邏輯地址，即

邏輯地址 = 基地址 + CPU 生成地址

一個(gè)邏輯地址空間是指CPU產(chǎn)生的所有邏輯地址的集合。

2、物理地址簡介

物理地址是進(jìn)程及其內(nèi)容放置在主內(nèi)存或硬盤中的地址。每當(dāng)我們運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程或?qū)⒁恍?shù)據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)的主存儲設(shè)備或輔助存儲設(shè)備中時(shí)，我們總是將其存儲起來以備將來隨時(shí)訪問。比如我在電腦的D盤存了一個(gè)word文件，我想訪問它，以后怎么訪問?當(dāng)然是去D盤打開word文件。

但是，如果我將一個(gè)進(jìn)程保存在主存中的某個(gè)存儲單元或內(nèi)存單元中，并希望將來訪問它，該怎么辦?就我們在本教程中研究過的地址而言，我們知道每當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被創(chuàng)建時(shí)，CPU 都會生成它的虛擬地址，但又是一團(tuán)糟。虛擬地址與進(jìn)程實(shí)際放置在內(nèi)存中的地址不同。

然而，內(nèi)存單元存儲在由物理地址(用戶未知)訪問的主內(nèi)存中，我們所知道的只是進(jìn)程的邏輯地址。那么當(dāng)我們需要訪問進(jìn)程的時(shí)候我們將如何訪問物理地址呢?到目前為止，這似乎是不可能的，但這當(dāng)然不是因?yàn)槲覀儚挠?jì)算機(jī)誕生到現(xiàn)在一直在訪問創(chuàng)建的進(jìn)程。

因此，我們需要詳細(xì)討論這個(gè)問題。在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)，CPU 不僅會生成虛擬地址，還會使用一些硬件支持將(先前生成的)虛擬地址映射到實(shí)際存儲它的物理地址，這在下面的地址映射部分進(jìn)行了討論。因此，當(dāng)我們嘗試訪問內(nèi)存中已經(jīng)保存的進(jìn)程時(shí)，CPU 將虛擬地址返回給硬件，硬件將虛擬/邏輯地址映射到物理地址上，并間接訪問進(jìn)程的內(nèi)存空間。

(1)地址映射

接下來，我們來討論一下硬件如何在邏輯地址和物理地址之間執(zhí)行映射。在CPU和內(nèi)存管理單元(MMU)的硬件中安裝有助于地址的映射，下圖很好地解釋了這一點(diǎn)。

圖2：邏輯地址到物理地址的映射

這個(gè)內(nèi)存管理單元對邏輯地址上的物理地址執(zhí)行所有必需的映射。由MMU執(zhí)行的非?；镜挠成涫怯梢环N稱為界限和基址的方案執(zhí)行的。這是執(zhí)行映射可以使用的最簡單的方法。隨著地址的映射變得越來越復(fù)雜，我們需要向內(nèi)存管理單元添加越來越多的硬件。讓我們討論基址寄存器和界限寄存器。

(2)基址和界限法

圖3：基地址和邊界地址的轉(zhuǎn)換在基于界限和基址的方法中，每個(gè) MMU 單元都有兩個(gè)寄存器，稱為基址寄存器和界限寄存器。

基址寄存器中包含特定進(jìn)程(正在運(yùn)行)的內(nèi)存部分的起始地址。例如，當(dāng)硬件需要取一些指令時(shí)，首先需要將基址寄存器的值與邏輯地址相加，得到物理地址。因此，基址寄存器與訪問內(nèi)存有關(guān)。

另一方面，界限寄存器要么存儲特定進(jìn)程的內(nèi)存部分的結(jié)束地址，要么還可能包含內(nèi)存部分的總大小(包括代碼、堆棧和堆)。它僅用于保護(hù)，以便進(jìn)程不超過分配給它的內(nèi)存區(qū)域，并且它可能不會跳入另一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存區(qū)域。

下面給出了邏輯地址和物理地址的一般比較：

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審核編輯：湯梓紅