memory - 什么是计算机科学中的分段和分页？

Question

我用谷歌搜索了很长时间，但我仍然不明白它是如何工作的，因为大多数解释都是非常技术性的，并且没有插图可以更清楚地说明。我的主要困惑是它与虚拟内存有什么区别？

我希望这个问题在这里会有一个很好的解释，以便其他提出相同问题的人在谷歌搜索时可以在这里找到它。

Answer 1

我不得不承认，这两个概念一开始可能看起来非常复杂和相似。有时他们的教学也很困惑。我认为可以在 osdev.org 上找到一个很好的引用:Segmentation Paging

为了完整起见，我也尝试在这里解释一下，但我不能保证正确性，因为我已经几个月没有开发操作系统了。

旧 16 位时代的分割

分割是两个概念中较老的一个，在我看来它更令人困惑。分割适用于 - 顾名思义 - 段 .段是特定大小的连续内存块。要访问每个段内的内存，我们需要一个 偏移量 .这使得总共有两个地址分量，它们实际上存储在两个寄存器中。分段的一个想法是扩大只有 16 位寄存器的内存。另一种是某种保护，但没有分页那么复杂。

因为我们现在使用两个寄存器来访问内存，所以我们可以将内存分成 block ——如上所述，即所谓的段。考虑 1MB (2^20) 的内存。这可以分成每 16 个字节的 65536 个(2^16，因为是 16 位寄存器)段。当然，我们也有用于偏移的 16 位寄存器。用 16 位寻址 16 字节是非常没用的，因此决定段可以重叠(我认为当时也有性能和编程原因)。

以下公式用于通过分段访问 1MB 内存:

Physical address = (A * 0x10) + B

这意味着该段将是偏移量的 16 倍。这也意味着可以通过多种方式访问​​地址 0x0100，例如通过 A=0x010 和 B=0x0，也可以通过 A=0x0 和 B=0x0100。

这是旧 16 位时代的分段。

如果您查看汇编程序或自己尝试一些东西，您会发现它们甚至在汇编程序中有所谓的寄存器:CS 和 DS(代码段和数据段)。

32 位天分段

后来一个所谓的 全局描述符表 (GDT) 被引入。这是一个全局表(位于 RAM 中的特定位置)，其中给出了段号和内存地址以及每个段的其他几个选项。这使我们更接近分页的概念，但仍然不一样。

所以现在程序员自己可以决定段应该从哪里开始。还有一个新概念是，在 GDT 中，人们可以决定一段应该有多长。所以不是每个段都必须是 64kB 长(2^16，因为 16 位寄存器)，但程序员可以定义限制。您可以有重叠的段，也可以有完全分开的段。

现在访问 A:B 时(仍然是两个用于访问内存的寄存器)，A 将是 GDT 中的条目。因此，我们将在 GDT 中查找 A'th 条目，并查看该段从哪个内存位置开始以及它有多大。然后我们检查 B(偏移量)是否在允许的内存区域内。

寻呼

现在分页与较新的分段方法没有太大区别，但在分页时，每个页面都有固定的大小。因此限制不再是可编程的，每页(当前)有 4kb。此外，与分段不同，逻辑地址空间可以是连续的，而物理地址是连续的。

分页还使用表格来查找内容，并且您仍然将逻辑地址分成几部分。第一部分是页表中条目的编号，第二部分是偏移量。但是，现在偏移量具有 12 位的固定长度来访问 4kb。您也可以有两个以上的部分，然后将使用多个页表。两级页表很常见，对于 64 位系统，我认为甚至三级页表也很常见。

结尾

我希望我能够至少解释一下，但我认为我的解释也令人困惑。最好的办法是深入内核编程，并在启动操作系统时尝试实现最基本的东西。然后你会发现一切，因为由于向后兼容，一切仍然在我们的现代 PC 上。