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概念

地址转换过程

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概念

虚拟地址和物理地址的概念 
    CPU通过地址来访问内存中的单元，地址有虚拟地址和物理地址之分，如果CPU没有MMU（Memory Management Unit，内存管理单元），或者有MMU但没有启用，CPU核在取指令或访问内存时发出的地址将直接传到CPU芯片的外部地址引脚上，直接被内存芯片（以下称为物理内存，以便与虚拟内存区分）接收，这称为物理地址（Physical Address，以下简称PA），如下图所示。

                                        

                                                                             物理地址示意图

 

如果CPU启用了MMU，CPU核发出的地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address，以下简称VA），而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将虚拟地址映射成物理地址，如下图所示。

                                          

                                                                       虚拟地址示意图
 

虚拟内存地址和物理内存地址的分离，给进程带来便利性和安全性。虚拟地址必须和物理地址建立一一对应的关系，才可以正确的进行地址转换。

记录对应关系最简单的办法，就是把对应关系记录在一张表中。为了让翻译速度足够地快，这个表必须加载在内存中。不过，这种记录方式惊人地浪费。

因此，Linux采用了分页（paging）的方式来记录对应关系。所谓的分页，就是以更大尺寸的单位页（page）来管理内存。在Linux中，通常每页大小为4KB。如果想要获取当前树莓派的内存页大小，可以使用命令：

baiheng@baiheng-OptiPlex-5055-Ryzen-CPU:~$ getconf PAGE_SIZE
4096

地址转换过程

32bit 分页机制下虚拟地址是由32bit组成的，常规4KB分页，32位的虚拟地址被分成3个域。

Directory(目录)	Table(页表)	Offset(偏移)
最高10位	中间10位	最低12位

具体的地址转换过程，文字描述太累，看图直观一些：

                                  

 

依据以下步骤进行转换：

1. 从cr3中取出进程的页目录地址（操作系统负责在调度进程的时候，把这个地址装入对应寄存器）；
2. 根据线性地址前十位，在数组中，找到对应的索引项，因为引入了二级管理模式，页目录中的项，不再是页的地址，而是一个页表的地址。（又引入了一个数组），页的地址被放到页表中去了。
3. 根据线性地址的中间十位，在页表（也是数组）中找到页的起始地址；
4. 将页的起始地址与线性地址中最后12位相加，得到最终我们想要的葫芦；

这个转换过程，应该说还是非常简单地。

前面说了二级页管理架构，不过有些CPU，还有三级，甚至四级架构，Linux为了在更高层次提供抽像，为每个CPU提供统一的界面。提供了一个四层页管理架构，来兼容这些二级、三级、四级管理架构的CPU。这四级分别为：

• 页全局目录PGD（对应刚才的页目录）
• 页上级目录PUD（新引进的）
• 页中间目录PMD（也就新引进的）
• 页表PT（对应刚才的页表）。
   

整个转换依据硬件转换原理，只是多了二次数组的索引罢了，如下图：