[科普中國(guó)]-字母編址

地址概述物理地址

物理地址就是CPU地址總線傳來的地址，由硬件電路控制其具體含義。物理地址中很大一部分是留給內(nèi)存條中的內(nèi)存的，但也常被映射到其他存儲(chǔ)器上（如顯存、BIOS等）。在程序指令中的虛擬地址經(jīng)過段映射和頁面映射后，就生成了物理地址，這個(gè)物理地址被放到CPU的地址線上。
物理地址空間，一部分給物理RAM（內(nèi)存）用，一部分給總線用，這是由硬件設(shè)計(jì)來決定的，因此在32 bits地址線的x86處理器中，物理地址空間是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因?yàn)檫€有一部分要給總線用（總線上還掛著別的許多設(shè)備）。在PC機(jī)中，一般是把低端物理地址給RAM用，高端物理地址給總線用。

總線地址總線地址就是總線的地址線在地址周期上產(chǎn)生的信號(hào)。外設(shè)使用的是總線地址，CPU使用的是物理地址。
物理地址與總線地址之間的關(guān)系由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定的。在x86平臺(tái)上，物理地址就是總線地址，這是因?yàn)樗鼈児蚕硐嗤牡刂房臻g——這句話有點(diǎn)難理解，詳見下面的“獨(dú)立編址”。在其他平臺(tái)上，可能需要轉(zhuǎn)換/映射。比如：CPU需要訪問物理地址是0xfa000的單元，那么在x86平臺(tái)上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)PCI總線上對(duì)0xfa000地址的訪問。因?yàn)槲锢淼刂泛涂偩€地址相同，所以憑眼睛看是不能確定這個(gè)地址是用在哪兒的，它或者在內(nèi)存中，或者是某個(gè)卡上的存儲(chǔ)單元，甚至可能這個(gè)地址上沒有對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器。

虛擬地址現(xiàn)代操作系統(tǒng)普遍采用虛擬內(nèi)存管理（Virtual Memory Management）機(jī)制，這需要MMU（Memory Management Unit）的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果處理器沒有MMU，或者有MMU但沒有啟用，CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內(nèi)存地址將直接傳到芯片引腳上，被內(nèi)存芯片（物理內(nèi)存）接收，這稱為物理地址（Physical Address），如果處理器啟用了MMU，CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內(nèi)存地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱為虛擬地址（Virtual Address），而MMU將這個(gè)地址翻譯成另一個(gè)地址發(fā)到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將虛擬地址映射成物理地址。
Linux中，進(jìn)程的4GB（虛擬）內(nèi)存分為用戶空間、內(nèi)核空間。用戶空間分布為0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于 0xC0000000），剩下的1G為內(nèi)核空間。程序員只能使用虛擬地址。系統(tǒng)中每個(gè)進(jìn)程有各自的私有用戶空間（0～3G），這個(gè)空間對(duì)系統(tǒng)中的其他進(jìn)程是不可見的。
CPU發(fā)出取指令請(qǐng)求時(shí)的地址是當(dāng)前上下文的虛擬地址，MMU再?gòu)捻摫碇姓业竭@個(gè)虛擬地址的物理地址，完成取指。同樣讀取數(shù)據(jù)的也是虛擬地址，比如mov ax, var. 編譯時(shí)var就是一個(gè)虛擬地址，也是通過MMU從也表中來找到物理地址，再產(chǎn)生總線時(shí)序，完成取數(shù)據(jù)的任務(wù)。1

編址方式外設(shè)都是通過讀寫設(shè)備上的寄存器來進(jìn)行的，外設(shè)寄存器也稱為“I/O端口”，而I/O端口有兩種編址方式：獨(dú)立編址和統(tǒng)一編制。

獨(dú)立編址(專用的I/O端口編址)定義：

I/O端口編址和存儲(chǔ)器的編址相互獨(dú)立，在兩個(gè)獨(dú)立的地址空間中，即I/O端口地址空間和存儲(chǔ)器地址空間分開設(shè)置，互不影響。采用這種編址方式，對(duì)I/O端口的操作使用輸入/輸出指令(I/O指令)。

優(yōu)點(diǎn)：

[1]I/O端口的地址碼較短，譯碼電路簡(jiǎn)單，I/O端口的地址空間一般較小，所用地址線也就較少;

[2]存儲(chǔ)器同I/O端口的操作指令不同，程序比較清晰；

[3]存儲(chǔ)器和I/O端口的控制結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，可以分別設(shè)計(jì)；

[4]不占用內(nèi)存空間。

缺點(diǎn)：

需要有專用的I/O指令，程序設(shè)計(jì)的靈活性較差,訪問端口的方法不如訪問存儲(chǔ)器的方法多。

統(tǒng)一編址(存儲(chǔ)器映像編址)定義：

在這種編址方式中，I/O端口和內(nèi)存單元統(tǒng)一編址，即把I/O端口當(dāng)作內(nèi)存單元對(duì)待，從整個(gè)內(nèi)存空間中劃出一個(gè)子空間給I/O端口，每一個(gè)I/O端口分配一個(gè)地址碼，用訪問存儲(chǔ)器的指令對(duì)I/O端口進(jìn)行操作，也就是說存儲(chǔ)器和I/O端口共用統(tǒng)一的地址空間，當(dāng)一個(gè)地址空間分配給I/O端口以后，存儲(chǔ)器就不能再占有這一部分的地址空間。

優(yōu)點(diǎn)：

[1]不需要專用的I/O指令，任何對(duì)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的指令都可用于I/O端口的數(shù)據(jù)操作，程序設(shè)計(jì)比較靈活對(duì)I/O端口的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)；

[2]由于I/O端口的地址空間是內(nèi)存空間的一部分，這樣，I/O端口的地址空間可大可小，從而使外設(shè)的數(shù)量幾乎不受限制；

[3]cpu無需產(chǎn)生區(qū)別訪問內(nèi)存操作和I/O操作的控制信號(hào)，從而可減少引腳。

缺點(diǎn)：

[1]I/O端口占用了內(nèi)存空間的一部分，影響了系統(tǒng)的內(nèi)存容量；

[2]訪問I/O端口也要同訪問內(nèi)存一樣，由于內(nèi)存地址較長(zhǎng)，導(dǎo)致執(zhí)行時(shí)間增加；

[3]程序中I/O操作不清晰，難以區(qū)分程序中的I/O操作和存儲(chǔ)器操作；

[4]I/O端口地址譯碼電路較復(fù)雜(因?yàn)閮?nèi)存的地址位數(shù)較多)。2

應(yīng)用對(duì)于某一既定的系統(tǒng)，它要么是獨(dú)立編址、要么是統(tǒng)一編址，具體采用哪一種則取決于CPU的體系結(jié)構(gòu)。比如，PowerPC、m68k等采用統(tǒng)一編址，而X86等則采用獨(dú)立編址，存在I/O空間的概念。目前，大多數(shù)嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并不提供I/O空間，僅有內(nèi)存空間，可直接用地址、指針訪問。但對(duì)于Linux內(nèi)核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必須都要考慮這兩種方式，于是它采用一種新的方法，將基于I/O映射方式的或內(nèi)存映射方式的I/O端口通稱為“I/O區(qū)域”（I/O region），不論你采用哪種方式，都要先申請(qǐng)IO區(qū)域：request_resource()，結(jié)束時(shí)釋放它：release_resource()。1