相对地址和逻辑地址之间的区别

Question

我正在从一本名为《操作系统》的书中阅读有关内存管理的内容。 我之前研究过这个主题并且很清楚，因为只引入了两种类型的地址：物理和逻辑（物理和虚拟）。然而，这本书似乎介绍了三种类型，有时将其中两种视为相同，有时则视为不同。

这是一个引用（我自己翻译的，所以可能不是最好的）：

在编写程序时，不知道在哪一点 程序的内存，这就是使用符号地址的原因 （变量名）。将符号地址转换为 物理地址称为地址绑定，它可以在 不同的时间点。如果在编译过程中已知 那么程序将在内存的哪一部分进行地址绑定可以 在那个时候完成。否则（最常见的情况）编译器 生成相对地址（相对于部分的开始 进程获得的内存）。执行程序时 loader 将相对地址映射到物理地址。

这一切似乎都很清楚。相对映射到物理。以下是之后的内容：

在进程执行过程中，与内存的交互是通过 读取和写入内存位置的序列。 CPU要么 从内存中读取指令或数据或将数据写入 记忆。在这两个任务中，CPU 不使用物理 地址，而是 CPU 自己生成的逻辑地址。所有逻辑的集合 地址称为虚拟地址空间。

这已经令人困惑了。逻辑地址和相对地址有什么区别？无论我在哪里查找，它们都不会分开。这是一个更令人困惑的句子：

如果地址绑定在编译时完成并且 加载然后虚拟地址空间匹配物理地址 空间。

前面说过，地址绑定是将符号地址转换为物理地址的过程。但后来才引入相对地址的概念。而加载据说是将相对转换为物理的过程。所以现在我完全迷失在这里了。

假设我们不知道该过程将占用内存的哪一部分：时间线是如何进行的？程序被编译，变量名（符号地址）被翻译成......我猜是相对的？然后CPU需要做一些读/写，它使用......逻辑的？

此外，在本书的以下部分中，相对和逻辑这两个术语似乎是随机使用的。好像它们是相同的，但仍然被定义为不同。

谁能帮我澄清一下？完美的答案可能是程序时间线的人为示例。什么时候引入了哪个地址，逻辑地址和相对地址有什么区别？

提前致谢。

Answer 1

相对地址是指两个位置或地址之间的距离（可以是逻辑的、线性的/虚拟的或物理的，此时并不重要）。

例如，x86 调用和跳转指令有一种形式，用于指定调用/跳转的距离（从调用/跳转指令结束后的字节开始计数）。该距离被简单地添加到指令指针寄存器 ([R|E]IP) 中，这就是下一条指令将来自的位置（再次，我暂时忽略逻辑，...，物理）。

如果您的程序包含子程序并使用这样的指令调用它，则程序在内存中的位置无关紧要，因为整体的两个位置之间的距离保持不变（如果整体程序由几个活动部分组成，包括一个或多个库，但我们不要去那里）。

现在，假设您的程序有一个全局变量并且需要读取它。如果有类似上述调用指令的内存读取指令，可以再次使用指令指针到变量位置的距离。在 64 位 x86 CPU 之前，没有这样的指令/机制来访问数据，只有调用和跳转可以是 IP 相关的。

在没有这种IP相关的数据寻址机制的情况下，你需要知道变量的实际地址，直到程序被加载到内存中执行时你才知道。在这种情况下所做的是读取变量的指令最初接收变量相对于 IP 的地址（读取变量的指令的地址），或者只是程序的开始。这就是程序存储在磁盘上的方式，指令中包含相对地址。一旦加载，但在程序开始执行之前，读取它的指令中变量的地址会被调整，使其成为实际地址，而不是相对于某些东西（IP 或程序的开始）。程序的起点距离地址 0 越远，需要对该相对地址进行更大的调整。

明白了吗？

现在一些几乎完全不同且不相关的东西......

在 x86 CPU 的上下文中，有以下几种地址：

• 逻辑
• 线性/虚拟
• 物理

如果我们一直回到 8086/8088... 实际上，如果我们再回到 8080/8085，所有内存地址都是 16 位的，它们不会经过 CPU 的任何转换并按原样呈现到内存中，因此它们是物理的（我们这里不是在谈论 IP/PC 相关的调用/跳转指令）。

16 位允许 64KB 的内存。 8086/8088 将这 16 位地址扩展为另外 16 位，以寻址超过 64KB 的内存，但它不仅将所有寄存器和地址从 16 位扩大到 32 位。相反，它引入了特殊的段寄存器，它将与 8080/8085 的那些旧的 16 位地址成对使用。因此，一对寄存器，如DS（段寄存器）和BX（常规通用寄存器）可以寻址地址DS * 16 + BX的内存。 DS:BX 是逻辑地址，DS * 16 + BX 是物理地址。通过这个方案，我们可以访问大约 1MB 的内存（只需为两个寄存器插入 65535）。

80286 稍微改变了上述情况，引入了所谓的保护模式，其中物理地址被计算为segment_table[DS] + BX（这允许从1MB 到16MB），但是这个想法还是一样。

接下来是 80386，将寄存器扩展到 32 位，并引入了另一层间接。物理地址现在简化了一点，page_tables[segment_table[DS] + EBX]。

DS:EBX 对构成逻辑地址，这是程序操作的（例如在指令MOV EAX, DS:[EBX] 中），这是它可以观察到的。

segment_table[DS] + EBX 构成线性/虚拟地址（程序可能并不总是知道，因为它无法看到由操作系统管理的表segment_table[]）。如果未启用页面转换，则此线性/虚拟地址也等于最终的物理地址。

启用页面转换后，物理地址为page_tables[segment_table[DS] + EBX]。

还有什么要知道的：

• 逻辑地址可以更复杂，例如DS:[EAX + EBX * 2 + 3]
• 操作系统通常设置segment_table[] 这样segment_table[any segment register]=0，有效地从图片中删除分割机制并以例如结束。物理地址 = page_tables[EAX + EBX * 2 + 3]。虽然说在这样的设置中逻辑地址和线性/虚拟地址相同 (EAX + EBX * 2 + 3) 并不完全正确，但它确实简化了思考。

现在，这些段表和页表与开始讨论的相对地址和重定位有什么关系？这些表只是让您将程序放置在物理内存中的任何位置，通常以对程序本身非常透明的方式。它不需要知道它的物理位置或是否启用了页面翻译。

但是，使用页面翻译有一些好处，但这超出了这里的范围。