虚拟地址

虚拟地址是用于标识虚拟对象的地址，通常用于虚拟存储管理和网络管理。当程序执行一条指令时，它将部分地址内容复制到REG中，这样就可以通过索引、基址寄存器、段寄存器或其他方式生成地址。这些由程序生成的地址称为虚拟地址。

虚拟地址的内容是通过将信息映射到特定的虚拟地址来定义的，这是利用物理空间和虚拟空间之间的映射来实现的。通过使用虚拟地址，操作系统可以隔离不同进程的资源访问，确保系统的安全性和稳定性。

虚拟地址的基本原理和研究范围涵盖了计算机科学和工程的多个方面，对深入理解计算机内存管理的工作原理、提高系统的安全性和稳定性、促进移动透明IP技术等相关领域的发展和应用具有重要意义。

20世纪60年代，IBM的两个独立开发的虚拟机管理程序SIMMON和CP-40促进了虚拟化技术的发展，并间接推动了虚拟地址技术的探索。虚拟地址技术允许操作系统抽象物理内存地址，并为每个进程提供独立的地址空间，从而增强系统的安全性和隔离性。

20世纪80年代，随着个人电脑的普及，虚拟地址技术变得更加重要。它使操作系统能够更有效地管理内存资源，并提高系统的稳定性和性能。通过使用虚拟内存，即使物理内存有限，应用程序也可以使用更多的地址空间。

从20世纪90年代到2000年代，随着虚拟化技术的发展，虚拟地址技术的可扩展性和灵活性受到了广泛关注。在此期间，虚拟地址技术在提高系统资源利用率和支持多任务多用户环境方面发挥了关键作用。

2010年代，云计算和容器技术的兴起进一步推动了虚拟地址技术的发展。现代操作系统使用虚拟地址技术来实现内存保护、内存映射文件和共享内存等高级功能，这对于构建大规模、高效的云平台和容器化应用非常重要。

地址映射

定义进程时，操作系统为每个进程创建一个虚拟地址空间。编译器将用户源程序链接到以地址0为起始地址的线性或多维虚拟地址空间。这里的链接可以是链接程序在程序执行前完成的静态链接，也可以是程序执行过程中需要完成的动态链接。每个进程都有这样一个空间（这个空间是一维的还是多维的取决于存储管理方法）。每个指令或数据单元在这个虚拟空间中都有一个确定的地址，称为虚拟地址。

虚拟地址空间中的地址并不直接对应于物理内存中的实际地址，而是通过页表进行映射。页表存储在内存中，提供了虚拟地址到物理地址的映射关系。该空间中进程的地址排列可以是不连续的。当程序试图访问虚拟地址时，处理器将通过查找页表将虚拟地址转换为相应的物理地址。一个虚拟地址唯一地映射一个物理地址，但是一个物理地址可以映射多个虚拟地址。虚拟地址和物理地址之间的映射关系是多对一的。

虚拟地址空间

处理器在执行内存读写操作时使用虚拟地址。在这些操作中，处理器将虚拟地址转换为物理地址。不同进程的虚拟地址空间是隔离的，这意味着一个进程不能直接访问或修改另一个进程或操作系统的物理内存。每个进程拥有的虚拟地址范围称为进程的虚拟地址空间。

虚拟地址

每个用户模式进程都有自己专用的虚拟地址空间。对于32位进程，虚拟地址空间通常限制为2GB，即从0x00000000到0x7FFFFFFF。在64位Windows系统上，64位进程的虚拟地址空间可以达到128TB，范围从0x 000‘00000000到0x 7

每个虚拟地址空间中的地址被分成几个大小相等的单元，称为“页面”（通常大小为4KB）。在Notepad.exe进程中，从0x7f 7‘93950000开始有三个连续的虚拟页面。这些虚拟页面通过内存管理机制映射到物理内存中的不连续页面。尽管这些虚拟地址在进程的地址空间中是连续的，但它们在物理内存中可能不相邻。类似地，尽管Notepad.exe和MyApp.exe进程都使用从0x7f 7‘93950000开始的虚拟页面，但是这些页面被映射到物理内存中的不同位置。

共用存储器

共享内存是实现进程间通信的重要方式，其基本特征是通信量大。作为一种高效的进程间通信机制，共享内存通过将不同进程的虚拟地址映射到同一个物理地址来共享内存数据。这种机制不仅节省了物理内存资源，还允许进程通过共享物理内存区域高效地交换数据。共享虚拟内存的本质是实现内存的共享访问，为不同进程提供一个通用的数据交换平台。

内存管理单元技术：内存管理单元技术是一个关键的硬件组件，它将虚拟地址空间映射到物理地址空间，使程序可以使用连续的虚拟地址空间，而无需关心实际的物理内存布局。

MMU的主要功能包括地址转换、内存保护和访问控制。地址转换是指将虚拟地址转换为物理地址，这是MMU最基本的任务。内存保护是指防止程序访问非法或未经授权的内存区域，以确保系统的稳定性和安全性。访问控制进一步细化了内存保护，可以控制不同用户对内存的访问权限。

操作系统设计：东南大学国家ASIC系统工程中心高级工程师姚郭亮带领团队讲解了805plus微处理器平台上虚拟地址空间映射的具体实现方案。该内核可以在虚拟地址空间中完成对RAM寄存器和GPIO端口的数据访问，并已应用于805plus平台。