C/C++ 內(nèi)存管理算法與實現(xiàn)--第一章：地址線和總線 （翻譯連載）

第四節(jié)：Intel奔騰CPU構架   

你已經(jīng)了解處理器如何從內(nèi)存讀入和寫入數(shù)據(jù)。然而，大多數(shù)的處理器同樣支持兩種高級內(nèi)存管理機制：分段和分頁。所謂分段是指將計算機的地址空間劃分為特定的區(qū)域。使用分段技術可以將內(nèi)存劃分為獨立的區(qū)域，這樣應用程序之間彼此獨立不會產(chǎn)生沖突。分段提供了內(nèi)存保護的機能。可以創(chuàng)建不帶內(nèi)存保護的內(nèi)存段，但是這樣做并不會帶來什么好處。

分段結(jié)構帶來的內(nèi)存保護使得每個應用程序都至少分配到一個內(nèi)存段。大型的應用程序通常具有好幾個內(nèi)存段。此外操作系統(tǒng)同樣具有一系列屬于自己的特定內(nèi)存 段。這些系統(tǒng)的內(nèi)存段設置了讀寫的權限明細，以便創(chuàng)建關于誰可以獲得讀寫權限的策略。一般說來，操作系統(tǒng)的代碼段以最高權限執(zhí)行，應用程序裝載到較低權限 的內(nèi)存段中。

圖1.5

分頁是實現(xiàn)虛擬內(nèi)存的方法之一。由DRAM提供的物理內(nèi)存和從硬盤分配用于模擬DRAM的內(nèi)存一起合并為一個更大的集合內(nèi)存空間。如果啟動了分頁機制，處理器的可尋址的最大字節(jié)數(shù)稱之為虛擬內(nèi)存地址空間。要弄明白這一切的關鍵是：虛擬內(nèi)存地址空間中的字節(jié)的地址不再跟之前處理器放置在地址總線上的地址一樣了。這意味著，必須創(chuàng)建轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)構和轉(zhuǎn)換代碼，以便將虛擬地址空間里的字節(jié)映射到物理內(nèi)存的一個字節(jié)上。（不必關心數(shù)據(jù)是保存在DRAM還是硬盤上）
當必須的分頁構造完畢，虛擬內(nèi)存空間便劃分為了稱為頁面（pages）的小區(qū)域。操作系統(tǒng)會判定物理內(nèi)存中運行使用機率低的數(shù)據(jù)，將這些物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù) 以分頁的形式寫入到硬盤中。如果分段機制被啟用，薄記（bookkeeping）還要執(zhí)行給定內(nèi)存頁與該內(nèi)存頁所屬的分段的關聯(lián)記錄工作。所有的計算 工作都緊密與處理器相關，所以性能損耗跟硬盤的I/O有直接聯(lián)系，可能會持續(xù)甚至1分鐘。

圖1.6

    注釋：當內(nèi)存頁保存在物理內(nèi)存（例如,DRAM）中時，這些內(nèi)存頁放置在被稱為頁幀（Page frame）用于記錄頁面大小的結(jié)構中。除了對所有內(nèi)存頁的使用情況進行監(jiān)控外，大多數(shù)操作系統(tǒng)同樣也對頁幀的使用情況進行監(jiān)控。通常頁幀的數(shù)量大大少于內(nèi)存頁的數(shù)量，所以操作系統(tǒng)非常看重小心的對這些寶貴的資源進行管理。
    注釋：可以使用不用硬盤的分頁機制。但是在這種情況下，分頁被轉(zhuǎn)變?yōu)?KB內(nèi)存大小的分段。

因為很容易得到Intel Pentium的處理器，所以我決定以Pentium處理器來講解分段和分頁機制。我 喜歡用MIPS64處理器來闡述理論，但是我買不起SGI的服務器（唉）。廉價是Intel系列產(chǎn)品常勝不衰的主要原因之一。像我這樣的在1980年時候 買不起Apple IIe電腦的計算機癡迷者，都轉(zhuǎn)而去尋覓二手的Intel機箱。成千上萬的人不得不因為資金的考慮做出這樣的選擇。所以某種意義上來說，Intel產(chǎn)品廣 泛使用跟基層使用者的推動不無關系。

Pentium系列處理器一直以來都是流行處理器：

CPU             發(fā)布日期          物理地址空間

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8086                1978                  1MB
8088                1979                  1MB
80286              1982                  16MB
80386              1985                  4GB
80486              1989                  4GB
Pentium           1993                  4GB
Pentium Pro     1995                  64GB
Pentium II       1997                  64GB
Pentium III      1999                  64GB
Pentium 4        2000                  64GB

    注釋：當 1981年IBM PC誕生的時候，搭載了一顆主頻為4.77MHz的8088CPU。毫無疑問，大型機上開發(fā)人員們欣喜若狂。因為PC給了他們一個屬于自己的施展空間了。 在那個時候，標準的啞終端除了向大型機來回傳輸緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)什么也干不了。不僅如此，工程師也無法對他們的代碼的運行時間和運行方式有絲毫的控制能力。 只能痛苦的等待。Tom Petty說得沒錯，偶爾用PIZZA賄賂下系統(tǒng)管理員，可以讓程序運行得快一些，但是這種奉承很快讓人感覺疲憊。有了IBM PC以后工程師終于用于了屬于自己的機器，擁有一切權利，不再需要任何等待。

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圖1.7

正 如你看到的，寄存器名字前面的'E'前綴被拿掉了。此外，每一個16位的通用寄存器，AX,CX,DX,和EX，可以作為兩個8位寄存器來使用。例 如，AX寄存器可以可做是由AH和AL寄存組合而成的。AH寄存器是AX寄存器的高字節(jié)部分,AL寄存器是AX的低字節(jié)部分。

    注釋：在圖1.2中的內(nèi)存和模式寄存器在實模式中還是可見的。32位CPU在實模式中依然是32位的，但是它們對于實模式來說沒有任何意義和用處。除非你切換到保護模式當中。

實模式中計算機可尋址1M的DRAM。這暗示實模式中只使用了20條地址線。對于運行在實模式中的處理器來說，內(nèi)存中字節(jié)的地址由段地址加上一個偏移量地 址組成。其結(jié)果總是一個20位地址值（記住這個事實：這點非常重要）這就打消了是否真的使用20條地址線的疑問。由段地址和偏移地址的和組成的地址值，便 符合了處理器的地址線上的值。現(xiàn)在你可以得到了為什么叫它為“實模式”的更好解釋。實模式中字節(jié)的地址直接映射到物理內(nèi)存中一個“真實”的字節(jié)。

在Intel匯編語言中，地址由一個"段地址：偏移地址（segment:offset）" 的值對來表示。例如，如果一個字節(jié)位于段地址為0x8200，偏移地址為0x0100，該字節(jié)的地址值就表示為：

0x8200:0x0100

有時候，由于某些原因（一會給出解釋），也可以寫為：

0x8200[0]:0x100

實模式中內(nèi)存地址解析過程如圖1.8：

圖1.8

段地址表示一個特定的內(nèi)存段，并且總是保存在一個16位的段寄存器中。特別的，段地址指基地址，內(nèi)存段的最低地址。各個段寄存器都各自具有特定用途：


     注釋：實際當中的具有6個寄存器的意思是：在任何時候，只能控制6個寄存器。一個程序可以獲得大于6個以上的寄存器，但是在任何一刻只有6個寄存器可以訪問。

偏移地址可以保存在16位的通用寄存器中。提供一個16位的偏移地址，這將每個內(nèi)存段限制在64KB的大小以內(nèi)。

    問題：1.如果段地址和偏移地址都存儲在16位的寄存器中，為什么兩個16位值的和卻得到的是20位的值

Intel處理器如果僅僅依靠這種米老鼠玩具一樣的內(nèi)存管理，將毫無作為。為了力圖支持更加健壯的操作系統(tǒng)和更大的內(nèi)存地址空間，Intel推出了80386CPU，80386具備4GB的物理地址空間并且支持一個全新的運行模式：保護模式。