[科普中国]-字母编址

地址概述物理地址

物理地址就是CPU地址总线传来的地址，由硬件电路控制其具体含义。物理地址中很大一部分是留给内存条中的内存的，但也常被映射到其他存储器上（如显存、BIOS等）。在程序指令中的虚拟地址经过段映射和页面映射后，就生成了物理地址，这个物理地址被放到CPU的地址线上。
物理地址空间，一部分给物理RAM（内存）用，一部分给总线用，这是由硬件设计来决定的，因此在32 bits地址线的x86处理器中，物理地址空间是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因为还有一部分要给总线用（总线上还挂着别的许多设备）。在PC机中，一般是把低端物理地址给RAM用，高端物理地址给总线用。

总线地址总线地址就是总线的地址线在地址周期上产生的信号。外设使用的是总线地址，CPU使用的是物理地址。
物理地址与总线地址之间的关系由系统的设计决定的。在x86平台上，物理地址就是总线地址，这是因为它们共享相同的地址空间——这句话有点难理解，详见下面的“独立编址”。在其他平台上，可能需要转换/映射。比如：CPU需要访问物理地址是0xfa000的单元，那么在x86平台上，会产生一个PCI总线上对0xfa000地址的访问。因为物理地址和总线地址相同，所以凭眼睛看是不能确定这个地址是用在哪儿的，它或者在内存中，或者是某个卡上的存储单元，甚至可能这个地址上没有对应的存储器。

虚拟地址现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（Virtual Memory Management）机制，这需要MMU（Memory Management Unit）的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片（物理内存）接收，这称为物理地址（Physical Address），如果处理器启用了MMU，CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址（Virtual Address），而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是将虚拟地址映射成物理地址。
Linux中，进程的4GB（虚拟）内存分为用户空间、内核空间。用户空间分布为0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于 0xC0000000），剩下的1G为内核空间。程序员只能使用虚拟地址。系统中每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。
CPU发出取指令请求时的地址是当前上下文的虚拟地址，MMU再从页表中找到这个虚拟地址的物理地址，完成取指。同样读取数据的也是虚拟地址，比如mov ax, var. 编译时var就是一个虚拟地址，也是通过MMU从也表中来找到物理地址，再产生总线时序，完成取数据的任务。1

编址方式外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的，外设寄存器也称为“I/O端口”，而I/O端口有两种编址方式：独立编址和统一编制。

独立编址(专用的I/O端口编址)定义：

I/O端口编址和存储器的编址相互独立，在两个独立的地址空间中，即I/O端口地址空间和存储器地址空间分开设置，互不影响。采用这种编址方式，对I/O端口的操作使用输入/输出指令(I/O指令)。

优点：

[1]I/O端口的地址码较短，译码电路简单，I/O端口的地址空间一般较小，所用地址线也就较少;

[2]存储器同I/O端口的操作指令不同，程序比较清晰；

[3]存储器和I/O端口的控制结构相互独立，可以分别设计；

[4]不占用内存空间。

缺点：

需要有专用的I/O指令，程序设计的灵活性较差,访问端口的方法不如访问存储器的方法多。

统一编址(存储器映像编址)定义：

在这种编址方式中，I/O端口和内存单元统一编址，即把I/O端口当作内存单元对待，从整个内存空间中划出一个子空间给I/O端口，每一个I/O端口分配一个地址码，用访问存储器的指令对I/O端口进行操作，也就是说存储器和I/O端口共用统一的地址空间，当一个地址空间分配给I/O端口以后，存储器就不能再占有这一部分的地址空间。

优点：

[1]不需要专用的I/O指令，任何对存储器数据进行操作的指令都可用于I/O端口的数据操作，程序设计比较灵活对I/O端口的数据处理能力强；

[2]由于I/O端口的地址空间是内存空间的一部分，这样，I/O端口的地址空间可大可小，从而使外设的数量几乎不受限制；

[3]cpu无需产生区别访问内存操作和I/O操作的控制信号，从而可减少引脚。

缺点：

[1]I/O端口占用了内存空间的一部分，影响了系统的内存容量；

[2]访问I/O端口也要同访问内存一样，由于内存地址较长，导致执行时间增加；

[3]程序中I/O操作不清晰，难以区分程序中的I/O操作和存储器操作；

[4]I/O端口地址译码电路较复杂(因为内存的地址位数较多)。2

应用对于某一既定的系统，它要么是独立编址、要么是统一编址，具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。比如，PowerPC、m68k等采用统一编址，而X86等则采用独立编址，存在I/O空间的概念。目前，大多数嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并不提供I/O空间，仅有内存空间，可直接用地址、指针访问。但对于Linux内核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必须都要考虑这两种方式，于是它采用一种新的方法，将基于I/O映射方式的或内存映射方式的I/O端口通称为“I/O区域”（I/O region），不论你采用哪种方式，都要先申请IO区域：request_resource()，结束时释放它：release_resource()。1