????????假设在内存中放入A、B两个程序，怎么保证两段程序没有内存地址的冲突？怎么保证两段程序不会互相读写各自的内存空间？怎么解决内存容量问题？（程序在不断开发迭代中程序代码占用的空间越来越大，内存不够）怎么解决扩展后的复杂情况？（如果有程序C、D、E……）
????????一个较好的方案是：让所有的程序都各自享有一个从0开始到最大地址的空间，这个地址空间是独立的，是该程序私有的，其它程序既看不到，也不能访问该地址空间，这个地址空间和其它程序无关，和具体的计算机也无关。
这个方案就是虚拟地址。
虚拟地址
将Hello World二进制文件反汇编后得到的代码
00000000000004e8 <_init>:
4e8: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
4ec: 48 8b 05 f5 0a 20 00 mov 0x200af5(%rip),%rax # 200fe8 <__gmon_start__>
4f3: 48 85 c0 test %rax,%rax
4f6: 74 02 je 4fa <_init+0x12>
4f8: ff d0 callq *%rax
4fa: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
4fe: c3 retq 上述代码中，左边第一列数据就是虚拟地址，第三列中是程序指令，如：“mov 0x200af5(%rip),%rax，je 4fa，callq *%rax”指令中的数据都是虚拟地址。
事实上，所有的应用程序开始的部分都是这样的。这正是因为每个应用程序的虚拟地址空间都是相同且独立的。
而这个地址是链接器产生的。其实我们开发软件经过编译步骤后，就需要链接成可执行文件才可以运行，而链接器的主要工作就是把多个代码模块组装在一起，并解决模块之间的引用，即处理程序代码间的地址引用，形成程序运行的静态内存空间视图。
虚拟地址到物理地址的转换
相当于一个函数：p=f(v)，输入虚拟地址v，输出物理地址p。
实现：MMU（内存管理单元）
?把虚拟地址空间和物理地址空间都分成同等大小的块，也称为页，按照虚拟页和物理页进行转换。根据软件配置不同，这个页的大小可以设置为4KB、2MB、4MB、1GB，这样就进入了现代内存管理模式——分页模型。
一个虚拟页可以对应到一个物理页，由于页大小一经配置就是固定的，所以在地址关系转换表中，只要存放虚拟页地址对应的物理页地址就行了。
MMU页表
地址转换关系表，即页表。
为了增加灵活性和节约物理内存空间（因为页表是放在物理内存中的），所以页表中并不存放虚拟地址和物理地址的对应关系，只存放物理页面的地址，MMU以虚拟地址为索引去查表返回物理页面地址，而且页表是分级的，总体分为三个部分：一个顶级页目录，多个中级页目录，最后才是页表。
?保护模式下的分页
保护模式的内存模型是分段模型，它并不适合于MMU的分页模型，所以我们要使用保护模式的平坦模式，这样就绕过了分段模型。这个平坦模型和长模式下忽略段基址和段长度是异曲同工的。地址产生的过程如下所示。
????????程序代码中的虚拟地址，经过CPU的分段机制产生了线性地址，平坦模式和长模式下线性地址和虚拟地址是相等的。
如果不开启MMU，在保护模式下可以关闭MMU，这个线性地址就是物理地址。因为长模式下的分段弱化了地址空间的隔离，所以开启MMU是必须要做的，开启MMU才能内存地址空间保存。
根据前面得知32位虚拟地址经过分段机制之后得到线性地址，又因为通常使用平坦模式，所以线性地址和虚拟地址是相同的。
保护模式下的分页大小通常有两种，一种是4KB大小的页，一种是4MB大小的页。分页大小的不同，会导致虚拟地址位段的分隔和页目录的层级不同，但虚拟页和物理页的大小始终是等同的。
?保护模式下的分页——4KB页
该分页方式下，32位虚拟地址被分为三个位段：页目录索引、页表索引、页内偏移，只有一级页目录，其中包含1024个条目 ，每个条目指向一个页表，每个页表中有1024个条目。其中一个条目就指向一个物理页，每个物理页4KB。这正好是4GB地址空间。如下图所示。
上图中CR3就是CPU的一个32位的寄存器，MMU就是根据这个寄存器找到页目录的。下面，我们看看当前分页模式下的CR3、页目录项、页表项的格式。
?可以看到，页目录项、页表项都是4字节32位，1024个项正好是4KB（一个页），因此它们的地址始终是4KB对齐的，所以低12位才可以另作它用，形成了页面的相关属性，如是否存在、是否可读可写、是用户页还是内核页、是否已写入、是否已访问等。
?保护模式下的分页——4MB页
该分页方式下，32位虚拟地址被分为两个位段：页表索引、页内偏移，只有一级页目录，其中包含1024个条目。其中一个条目指向一个物理页，每个物理页4MB，正好为4GB地址空间，如下图所示。
CR3还是32位的寄存器，只不过不再指向顶级页目录了，而是指向一个4KB大小的页表，这个页表依然要4KB地址对齐，其中包含1024个页表项，格式如下图。
可以发现，4MB大小的页面下，页表项还是4字节32位，但只需要用高10位来保存物理页面的基地址就可以。因为每个物理页面都是4MB，所以低22位始终为0，为了兼容4MB页表项低8位和4KB页表项一样，只不过第7位变成了PS位，且必须为1，而PAT位移到了12位。
长模式下的分页
如果开启了长模式，则必须同时开启分页模式，因为长模式弱化了分段模型，而分段模型也确实有很多不足，不适应现在操作系统和应用软件的发展。
同时，长模式也扩展了CPU的位宽，使得CPU能使用64位的超大内存地址空间。所以，长模式下的虚拟地址必须等于线性地址且为64位。
长模式下的分页大小通常也有两种，4KB大小的页和2MB大小的页。
长模式下的分页——4KB页
该分页方式下，64位虚拟地址被分为6个位段，分别是：保留位段，顶级页目录索引、页目录指针索引、页目录索引、页表索引、页内偏移，顶级页目录、页目录指针、页目录、页表各占有4KB大小，其中各有512个条目，每个条目8字节64位大小，如下图所示。
上面图中CR3已经变成64位的CPU的寄存器，它指向一个顶级页目录，里面的顶级页目项指向页目录指针，依次类推。
需要注意的是，虚拟地址48到63这6位是根据第47位来决定的，47位为1，它们就为1，反之为0，这是因为x86 CPU并没有实现全64位的地址总线，而是只实现了48位，但是CPU的寄存器却是64位的。
这种最高有效位填充的方式，即使后面扩展CPU的地址总线也不会有任何影响，下面我们去看看当前分页模式下的CR3、顶级页目录项、页目录指针项、页目录项、页表项的格式，我画了一张图帮你理解。
长模式下的分页——2MB页
在这种分页方式下，64位虚拟地址被分为5个位段 ：保留位段、顶级页目录索引、页目录指针索引、页目录索引，页内偏移，顶级页目录、页目录指针、页目录各占有4KB大小，其中各有512个条目，每个条目8字节64位大小。
可以发现，长模式下2MB和4KB分页的区别是，2MB分页下是页目录项直接指向了2MB大小的物理页面，放弃了页表项，然后把虚拟地址的低21位作为页内偏移，21位正好索引2MB大小的地址空间。
下面我们还是要去看看2MB分页模式下的CR3、顶级页目录项、页目录指针项、页目录项的格式，格式如下图。
上图中没有了页表项，取而代之的是，页目录项中直接存放了2MB物理页基地址。由于物理页始终2MB对齐，所以其地址的低21位为0，用于存放页面属性位。
开启MMU
要使用分页模式就必先开启MMU，但是开启MMU的前提是CPU进入保护模式或者长模式，开启CPU这两种模式的方法，我们在前面第五节课已经讲过了，下面我们就来开启MMU，步骤如下：
1.使CPU进入保护模式或者长模式。
2.准备好页表数据，这包含顶级页目录，中间层页目录，页表，假定我们已经编写了代码，在物理内存中生成了这些数据。
3.把顶级页目录的物理内存地址赋值给CR3寄存器。
mov eax, PAGE_TLB_BADR ;页表物理地址
mov cr3, eax
- 设置CPU的CR0的PE位为1，这样就开启了MMU。
;开启 保护模式和分页模式
mov eax, cr0
bts eax, 0 ;CR0.PE =1
bts eax, 31 ;CR0.P = 1
mov cr0, eax
MMU地址转换失败
MMU的主要功能是根据页表数据把虚拟地址转换成物理地址，但有没有可能转换失败？
绝对有可能，例如，页表项中的数据为空，用户程序访问了超级管理者的页面，向只读页面中写入数据。这些都会导致MMU地址转换失败。
MMU地址转换失败了怎么办呢？失败了既不能放行，也不是reset，MMU执行的操作如下。
1.MMU停止转换地址。
2.MMU把转换失败的虚拟地址写入CPU的CR2寄存器。
3.MMU触发CPU的14号中断，使CPU停止执行当前指令。
4.CPU开始执行14号中断的处理代码，代码会检查原因，处理好页表数据返回。
5.CPU中断返回继续执行MMU地址转换失败时的指令。
这里你只要先明白这个流程就好了，后面课程讲到内存管理的时候我们继续探讨。
重点回顾
首先，我们从一个场景开始热身，发现多道程序同时运行有很多问题，都是内存相关的问题，内存需要隔离和保护。从而提出了虚拟地址与物理地址分离，让应用程序从实际的物理内存中解耦出来。
虽然虚拟地址是个非常不错的方案，但是虚拟地址必须转换成物理地址，才能在硬件上执行。为了执行这个转换过程，才开发出了MMU（内存管理单元），MMU增加了转换的灵活性，它的实现方式是硬件执行转换过程，但又依赖于软件提供的地址转换表。
最后，我们下落到具体的硬件平台，研究了x86 CPU上的MMU。
x86 CPU上的MMU在其保护模式和长模式下提供4KB、2MB、4MB等页面转换方案，我们详细分析了它们的页表格式。同时，也搞清楚了如何开启MMU，以及MMU地址转换失败后执行的操作。