虛擬地址

虛擬地址是用于標識虛擬對象的地址，通常用于虛擬存儲管理和網絡管理。當程序執行一條指令時，它將部分地址內容復制到REG中，這樣就可以通過索引、基址寄存器、段寄存器或其他方式生成地址。這些由程序生成的地址稱為虛擬地址。

虛擬地址的內容是通過將信息映射到特定的虛擬地址來定義的，這是利用物理空間和虛擬空間之間的映射來實現的。通過使用虛擬地址，操作系統可以隔離不同進程的資源訪問，確保系統的安全性和穩定性。

虛擬地址的基本原理和研究范圍涵蓋了計算機科學和工程的多個方面，對深入理解計算機內存管理的工作原理、提高系統的安全性和穩定性、促進移動透明IP技術等相關領域的發展和應用具有重要意義。

20世紀60年代，IBM的兩個獨立開發的虛擬機管理程序SIMMON和CP-40促進了虛擬化技術的發展，并間接推動了虛擬地址技術的探索。虛擬地址技術允許操作系統抽象物理內存地址，并為每個進程提供獨立的地址空間，從而增強系統的安全性和隔離性。

20世紀80年代，隨著個人電腦的普及，虛擬地址技術變得更加重要。它使操作系統能夠更有效地管理內存資源，并提高系統的穩定性和性能。通過使用虛擬內存，即使物理內存有限，應用程序也可以使用更多的地址空間。

從20世紀90年代到2000年代，隨著虛擬化技術的發展，虛擬地址技術的可擴展性和靈活性受到了廣泛關注。在此期間，虛擬地址技術在提高系統資源利用率和支持多任務多用戶環境方面發揮了關鍵作用。

2010年代，云計算和容器技術的興起進一步推動了虛擬地址技術的發展。現代操作系統使用虛擬地址技術來實現內存保護、內存映射文件和共享內存等高級功能，這對于構建大規模、高效的云平臺和容器化應用非常重要。

地址映射

定義進程時，操作系統為每個進程創建一個虛擬地址空間。編譯器將用戶源程序鏈接到以地址0為起始地址的線性或多維虛擬地址空間。這里的鏈接可以是鏈接程序在程序執行前完成的靜態鏈接，也可以是程序執行過程中需要完成的動態鏈接。每個進程都有這樣一個空間（這個空間是一維的還是多維的取決于存儲管理方法）。每個指令或數據單元在這個虛擬空間中都有一個確定的地址，稱為虛擬地址。

虛擬地址空間中的地址并不直接對應于物理內存中的實際地址，而是通過頁表進行映射。頁表存儲在內存中，提供了虛擬地址到物理地址的映射關系。該空間中進程的地址排列可以是不連續的。當程序試圖訪問虛擬地址時，處理器將通過查找頁表將虛擬地址轉換為相應的物理地址。一個虛擬地址唯一地映射一個物理地址，但是一個物理地址可以映射多個虛擬地址。虛擬地址和物理地址之間的映射關系是多對一的。

虛擬地址空間

處理器在執行內存讀寫操作時使用虛擬地址。在這些操作中，處理器將虛擬地址轉換為物理地址。不同進程的虛擬地址空間是隔離的，這意味著一個進程不能直接訪問或修改另一個進程或操作系統的物理內存。每個進程擁有的虛擬地址范圍稱為進程的虛擬地址空間。

虛擬地址

每個用戶模式進程都有自己專用的虛擬地址空間。對于32位進程，虛擬地址空間通常限制為2GB，即從0x00000000到0x7FFFFFFF。在64位Windows系統上，64位進程的虛擬地址空間可以達到128TB，范圍從0x 000‘00000000到0x 7

每個虛擬地址空間中的地址被分成幾個大小相等的單元，稱為“頁面”（通常大小為4KB）。在Notepad.exe進程中，從0x7f 7‘93950000開始有三個連續的虛擬頁面。這些虛擬頁面通過內存管理機制映射到物理內存中的不連續頁面。盡管這些虛擬地址在進程的地址空間中是連續的，但它們在物理內存中可能不相鄰。類似地，盡管Notepad.exe和MyApp.exe進程都使用從0x7f 7‘93950000開始的虛擬頁面，但是這些頁面被映射到物理內存中的不同位置。

共用存儲器

共享內存是實現進程間通信的重要方式，其基本特征是通信量大。作為一種高效的進程間通信機制，共享內存通過將不同進程的虛擬地址映射到同一個物理地址來共享內存數據。這種機制不僅節省了物理內存資源，還允許進程通過共享物理內存區域高效地交換數據。共享虛擬內存的本質是實現內存的共享訪問，為不同進程提供一個通用的數據交換平臺。

內存管理單元技術：內存管理單元技術是一個關鍵的硬件組件，它將虛擬地址空間映射到物理地址空間，使程序可以使用連續的虛擬地址空間，而無需關心實際的物理內存布局。

MMU的主要功能包括地址轉換、內存保護和訪問控制。地址轉換是指將虛擬地址轉換為物理地址，這是MMU最基本的任務。內存保護是指防止程序訪問非法或未經授權的內存區域，以確保系統的穩定性和安全性。訪問控制進一步細化了內存保護，可以控制不同用戶對內存的訪問權限。

操作系統設計：東南大學國家ASIC系統工程中心高級工程師姚郭亮帶領團隊講解了805plus微處理器平臺上虛擬地址空間映射的具體實現方案。該內核可以在虛擬地址空間中完成對RAM寄存器和GPIO端口的數據訪問，并已應用于805plus平臺。