記憶體地址

邏輯地址(logical address)

包含在機器語言指令中用來指定一個運算元或一條指令的地址。這種定址方式在80x86著名的分段結構表現的尤為具體。每個邏輯地址都有一個段(segment)和偏移量(offset)組成，偏移量指明瞭從段開始的地方到實際地址之間的距離。

線性地址(linear address)(也稱虛擬地址virtual address)

是一個32位無符號整數，可以用來表示高達4G的地址。線性地址通常用十六進位制數字表示，值的範圍從0x00000000到0xffffffff。

實體地址(physical address)

用於記憶體晶片級記憶體單元定址。它們與微處理器的地址引腳傳送到記憶體總線上的電訊號相對應。實體地址由32位或36位無符號整數表示。

記憶體管理單元(MMU)通過一種稱為分段單元(segmentation unit)的硬體電路把一個邏輯地址轉換成線性地址；接著，第二個稱為分頁單元(paging unit)的硬體電路把線性地址轉換為一個實體地址。

當Intel處理器工作在保護模式下，分段機制是必須使用的，而分頁是可選的。當分頁沒有使用時，線性地址空間就直接對映到實體地址空間。實體地址空間是指處理器在地址匯流排產生的地址空間範圍，如處理器為32位但地址匯流排是36位，這實體地址空間就是0~2^36

硬體中的分段

一個邏輯地址由兩部分組成:一個段識別符號和一個指定段內相對地址的偏移量。段識別符號是一個16位長的欄位，稱為段選擇符

段選擇符(segment selector)

Index 指定了放在GDT或者LDT中的相應段描述符的入口。從存放在GDT或者LDT中的8192個描述符中選擇段描述符，由於一個段描述符是8個位元組長(下面 會講道)，因此它在GDT或者LDT內的相對地址是由段選擇符的最高13位的值乘以8得到的。例如：如果GDT在0x00020000(這個值儲存在gdtr暫存器中)，且由段選擇符所指定的索引號為2，那麼相應的段描述符地址是0x00020000 + 2*8

TI    TI(Table Indicator)標誌；指明段描述符是在GDT中(TI=0)或在LDT中(TI=1)

RPL   請求特權等級(Requested Privilege Level):當相應的段選擇符裝入到CS暫存器中時指示出CPU當前的特權等級。優先順序範圍從0到3，0代表最高優先順序，而3代表最低優先順序。Linux只用到0級和3級，分別稱之為核心態和使用者態

為了快速方面地找到段選擇符，處理器提供段暫存器，段暫存器的唯一目的是存放段選擇符。這些暫存器稱為cs,ss,ds,es,fs和gs。

6個暫存器中有3個有專門用途：

cs  程式碼段暫存器，指向包含程式指令的段。

ss  棧段暫存器，指向包含當前程式的段。

ds  資料段暫存器，指向包含靜態資料或者全域性資料段

對intel處理器，有兩種型別的指令用於載入段暫存器

一類是顯式引用，如MOV, POP, LDS, LES, LSS, LGS, and LFS

另一類是隱式載入，如CALL,JMP,RET,SYSENTER,SYSEXIT,IRET,INTn等這些指令都會附帶修改CS或者其他段暫存器內容

段描述符表(Segment Descriptor Tables)

段描述符表是一個段描述符的陣列，一個描述符表的大小最多為8192(2^13)8byte的描述符

有兩種型別的描述符表

全域性描述符表(Global Descriptor Table,GDT)

區域性描述符表(Local Descriptor Table,LDT)

通常只定義一個GDT，而每個程序除了存放在GDT中的段之外還需要建立附加的段，就可以有自己的LDT。GDT在主存中的地址和大小存放在gdtr控制暫存器中，當前正被使用的LDT地址和大小存放在ldtr控制暫存器中。

段描述符(Segment Descriptor)

Base  包含段的首位元組的線性地址，處理器把3個base address域形成一個32bit值，段基地址應該是要16位元組邊界對齊的但不是必須的，因為16位元組對齊可以使程式效能最大化通過程式碼與資料16位元組邊界對齊

G     粒度(granularity)標誌：如果該位清0,則段大小以位元組為單位，否則以4096位元組的倍數計

D/B   稱為D或B的標誌，取決於是程式碼段還是資料段。D或者B的含義情況在兩種情況下稍有區別，但是如果段偏移量的地址是32位長，就是基本上把它置為       1，如果這個偏移量是16位長，它被清0

Limit 存放段中最後一個記憶體單元的偏移量，從而決定段的長度。如果G被設定為0，則一個段的大小在1個位元組到1MB之間變化；否則，將在4KB到4GB之間       變化    

P     Segment-Present標誌：等於0表示段當前不在主存中。Linux總是把這個標誌設定為1，因為它從來不把整個段交換到磁碟上去。

DPL   描述符特權級(Descriptor Privilege Level)欄位：用於限制對這個段的存取。它表示為訪問這個段而要求的CPU最小的優先順序。因此，DPL設       為0的段只能當CPL為0時(即在核心態)才可以訪問的，而DPL設為3的段對任何CPL值都是可以訪問的

S     系統標誌：如果它被清零，則這是一個系統段，儲存諸如LDT這種關鍵的資料結構，否則它是一個普通的程式碼段或資料段

Type  描述了段的型別特徵和它的存取許可權

有幾種不同型別的段以及和它們對應的段描述符。下面列出了Linux中被廣泛採用的型別:

程式碼段描述符

表示這個段描述符代表一個程式碼段，它可以放在GDT或者LDT中。該描述符置S標誌位1

資料段描述符

表示這個段描述符代表一個數據段，它可以放在GDT或者LDT中。該描述符置S標誌位1。棧段是通過一般資料段實現的

任務狀態段描述符(TSSD)

表示這個段描述符代表一任務狀態段(Task State Segment,TSS),也就是說這個段用於儲存處理器暫存器的內容。它只能出現在GDT中。根據相應的程序是否正在CPU上執行，其Type欄位的值分別為11或9.這個描述符的S標誌置為0

區域性描述符表描述符(LDTD)

表示這個段描述代表一個包含LDT的段，它只能出現在GDT中。相應的Type欄位的值為12，S標誌位0。

總結一下分段單元是如何把邏輯地址轉換成線性地址的

a、先檢查段選擇符的TI欄位，以決定段描述符儲存在哪個描述符表。

b、從段選擇符的Index欄位計算段描述符的地址，Index欄位的值乘以8，這個結果與gdtr或者ldtr暫存器的內容相加

c、把邏輯地址的偏移量與描述符Base欄位的值相加就得到了線性地址

Linux中的分段

Linux以非常有限的方式使用分段。與分段相比，Linux更喜歡使用分頁方式，因為：

a、當所有程序使用相同的段暫存器值時，記憶體管理變得更簡單，也就是說它們能共享同樣的一組線性地址

b、Linux設計目標之一是可以把它移植到絕大多數流行的處理器平臺上。然而，RISC體系結構對分段的支援有限

2.6版本的Linux只有在80x86結構下才需要使用分段。

執行在使用者態的所有Linux程序都使用一對相同的段來對指令和資料定址。這兩個段就是所謂的使用者程式碼段和使用者資料段。類似地，執行在核心態的所有Linux程序都使用一對相同的段對指令和資料定址：它們分別叫做核心態程式碼段和核心資料段。

四個主要的Linux段的段描述符欄位的值

段         Base       G  Limit    S  Type  DPL  D/B  P

使用者程式碼段  0x00000000  1  0xfffff  1  10    3    1    1

使用者資料段  0x00000000  1  0xfffff  1  2     3    1    1

核心程式碼段  0x00000000  1  0xfffff  1  10    0    1    1

核心資料段  0x00000000  1  0xfffff  1  2     0    1    1

相應的段選擇符由巨集__USER_CS、__USER_DS、__KERNEL_DS、__KERNEL_CS。例如，為了對核心程式碼段定址，核心只需要把__KERNEL_CS巨集產生的值裝進cs段暫存器即可

注意，與段相關的線性地址從0開始，達到2^32-1的定址限長。這意味著在使用者態或者核心態下的所有程序可以使用相同的邏輯地址。

所有段都從0x00000000開始，這可以得出另一個重要結論，那就是在Linux下邏輯地址與線性地址是一致的，即邏輯地址的偏移量欄位的值與相應的線性地址的值總是一致的

摘自linux-2.6.32/arch/x86/include/asm/segment.h

#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS	14
#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS	15
#define GDT_ENTRY_KERNEL_BASE	12
#define GDT_ENTRY_KERNEL_CS		(GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 0)
#define GDT_ENTRY_KERNEL_DS		(GDT_ENTRY_KERNEL_BASE + 1)
#define __KERNEL_CS	(GDT_ENTRY_KERNEL_CS * 8)
#define __KERNEL_DS	(GDT_ENTRY_KERNEL_DS * 8)
#define __USER_DS     (GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS* 8 + 3)
#define __USER_CS     (GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS* 8 + 3)

Linux GDT

在單處理器系統中只有一個GDT，而在多處理器系統中每個CPU對應一個GDT。所有的GDT都存放在cpu_gdt_table陣列中。

每一個GDT中包含的18個段描述符指向下列的段：

a、使用者態和核心態下的程式碼段和資料段共4個

b、任務狀態段(TSS)，每個處理器有1個。每個TSS相應的線性地址空間都是核心資料段相應線性地址空間的一個子集。

c、一個包括預設區域性描述符表的段，這個段通常是被所有程序共享的段

d、3個區域性執行緒儲存段(Thread-Local Storage,TLS)：這種機制允許多執行緒應用程式使用最多3個區域性於執行緒的資料段。系統呼叫set_thread_area()和get_thread_area()分別為正在執行的程序建立和撤銷一個TLS段

Linux LDT

大多數使用者態下的Linux程式不使用區域性描述符表，這樣核心就定義了一個預設的LDT共大多數程序共享。