The Memory Hierarchy

存储系统是有层次的，从快到慢依次是：CPU寄存器、静态SRAM、动态DRAM、磁盘。如下图：

如 Inter Core i7 存储结构如下：

i7的存储架构支持48-bit虚拟地址，52-bit物理地址. Page Size启动时可配置 4KB or 4MB, Linux使用4KB，4-level page table hierarchy。

Segmentation and Paging

在CPU保护模式下，进程使用虚拟地址，这也给每个进程一个大的、一致的私有的地址空间。虚拟地址也简化了程序的链接与加载，代码段、数据段、共享库总是从相同的虚拟地址开始，执行程序时，execve()调用会使内核分配virtual pages给进程，按page从磁盘拷贝代码段数据段到内存。

地址翻译分段与分页相结合，linux更加关注的是分页机制。Linux分段机制使用的很有限，RISC架构的CPU就不支持分段机制，并且分段机制也没有分页机制更灵活。

逻辑地址-->[Segmentation]-->线性地址(虚拟地址)-->[Paging]-->物理地址

Linux分段机制使用的很有限，逻辑地址与线性地址是一致的。

linux下分段机制使用的很有限，仅仅有四种段：用户代码段、用户数据段、内核代码段、内核数据段。相应的段描述符由宏__USER_CS，__USER_DS，__KERNEL_CS，和__KERNEL_DS分别定义，且所有段都从0x00000000开始。

Linux使用分页机制，每个进程都有自己的页表，任务切换就会有页表切换，x86下通过修改控制寄存器CR3完成，CR3控制寄存器是PDBR（Page-Directory Base address Register)，加载进程页表通过拷贝mm_stuct->pgd到CR3寄存器完成。

页表可以把虚拟地址页映射为物理地址页，x86 32位系统的机制大致如下(MIT xv6)：

为了加快速度，地址翻译有专门的硬件MMU(Memory Management Unit)，MMU中包含了一个小的PTE(Page Table Entry)缓存TLB(Translation Lookaside Buffer), 大致工作原理如下图：

举个多级页表的例子，Inter i7页表翻译，采用了4级页表，如下图：

从操作系统的实现看：

还有很多有意思的细节可以看后面的参考资料。

Reference

Operating Systems: Three Easy Pieces
Xv6, a simple Unix-like teaching operating system
Computer Systems: A Programmer’s Perspective, 3/E (CS:APP3e)
Professional Linux Kernel Architecture
Understanding the Linux® Virtual Memory Manager
Computer Systems Organization