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什么是物理地址，什么是虚拟地址？

article 2025/2/5 8:45:10

摘要

什么是物理地址，什么是虚拟地址？

如果处理器没有MMU或未启用，CPU执行单元发出的内存地址直接传到芯片引脚上，被内存芯片接受，这称为物理地址（Physical Addraress）

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地址称为虚拟地址，而MMU将这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到物理地址。

通俗的理解：CPU拿到的地址都是MMU给的虚拟地址，通过MMU的翻译找到了内存的物理地址进而找到数据。为什么这样设计呢？这得从早期cpu读取内存数据的历史开始道来。

早期CPU读取内存数据的历史

85年前计算机，cpu读数据是直接从内存读数据。为什么这样设计呢？

在许多年以前，还是使用DOS或一些古老的操作系统时，内存很小，同时应用程序也很小，将程序存储在内存中基本满足需要。例如早期的魂斗罗800k~1MB，一般16MB的内存足够用了。

缺点：随着科技发展后，很多复杂的程序大小都远超内存大小了，内存本身也不是想增大就增大,为了解决这个问题，人民提出了虚拟存储器的方法-MMU

上述相当于处理器没有MMU，CPU执行单元发出的内存地址直接传到物理地址中。

为什么有物理地址和虚拟地址？-因为内存很宝贵

随着科技的发展，图形界面以及一些其他更复杂的应用出现，内存已经无法存储这些应用程序了。人们在想能否设计出一个程序+数据+堆栈的总大小可以超过内存空间的大小并正常运行的机制。例如如何让16MB的代码可以运行在4MB的机器呢？

人们想出了一个虚拟存储器的方法MMU（Memory Manager Unit）主要是用来管理虚拟存储器，物理存储器的控制线路，同时也负责虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的内存访问授权、多任务多进程操作完成。比如一个16MB的程序和一个内存只有4MB的机器，操作系统通过选择哪部分4MB的程序内容保存在内存与磁盘交互程序代码，这样16MB的代码就可以运行在4MB的机器中了。

MMU原理：利用程序具有局部性原则

MMU的设计利用了程序的一个特性。例如5000行的代码程序是全部运行吗？不是的往往只有百分之一或千分之一的代码运行.该特性：程序的局部代码在物理内存中运行。即程序具有局部性原则。所以某一段很小的时间段内，只有很少一部分代码会被CPU执行。例如VMware虚拟机就是程序具有局部性原则，让我们电脑可以跑双window，苹果或Linux系统。