图解CPU的内存管理——彻底讲透分段与分页

先总结，后看图：

1、作为OS的基础，CPU能支持什么内存访问模型，OS就必须跟随；

2、Intel CPU支持分段与分页两种模型；

3、Intel CPU的访存模型是先分段再分页的模式，所以涉及到从逻辑地址->线性地址->物理地址的转换；这部分在CPU的MMU模块中由电路实现；

4、逻辑地址为程序二进制的地址，是偏移量的形式存在，是个相对地址；这部分跟分段模型紧密相关；分段模型负责将CPU拿到的逻辑地址（主要是几个寄存器的值，GDTR，CD，DS，SS）转成一个线性地址（线性地址由OS生成）；

5、分页模型就继续接着分段模型生成的线性地址得到相应的物理地址；

5.1、分段靠GDT（LDT），分页靠（页目录与页表），这些表都是在内存中，OS在启动过程中会分配；那么你可能会问，OS在启动的时候没有段表与页表之前怎么访问内存？CPU还支持更古老的实模式访问内存（程序中写死物理地址的程序），8080就是这样的东西，所以OS启动的时候也会用古老的方式启动，然后逐步进化成现代的方式；

5.2、Linux为了兼容不同的CPU，抛弃了Intel的分段模型，但是如果运行在X86平台又必须要有GDT，怎么办？Linux干脆写死，所有进程的分段地址都是00000000，所有程序ELF格式的偏移量都是被定制化的；

6、分页与分段模型不是设计出来的，是历史原因造就。早期的CPU能力不强如（8086，80X86）等等，但是实现了保护模式（就是可以跑多进程），但是支持的进程数不多，所以分段模型足够了；所以GDT这个表被设计成一个数组；后来intel设计出越来越强大的CPU，一直到多核CPU，那么，支持的进程数可以说几十上百倍的增长，所以数组不行了；引入链表形式的——页表来管理内存映射，但是CPU是向下兼容的，所以哪怕是intel最先进的CPU也是有分段模型的；所以分页到分段是历史造就，不是设计出来的，不要太过探究它的原因；

7、分页与分段的优劣，可以看做是链表与数组的特点之争；分段模型自然就是速度快，但是不灵活（只能支持少量的进程）；分页模型就是效率低，但是足够灵活（支持大量的进程）；所以CPU引入了缓存——TLB；

8、TLB与CacheLine其实一个东西（电路层），支持缓存行数据结构中的标记与组号的位数不同而已（在图中有详解）。

9、总结下，CPU在执行一个指令的时候，需要从内存获得数据，那么就需要通过地址线访问内存，为了得到指令所在内存的物理地址，需要走分段模型——将逻辑地址转为线性地址（虚拟地址），然后通过分页单元将线性地址转为物理地址；

10、CPU中的两个Cache，因为访问内存成本逐级增高，所以在逻辑地址转为线性地址过程中为了少访问内存，使用了TLB组关联高速缓存；而得到物理地址后，为了不访问内存，CPU内部还有L1-L3级缓存（Cacheline）。

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