來源：Introduction and Memory Addressing: Segmentation Unit (21 ~ 49, 72 ~ 83)
Memory Addressing(x32)
在進入主題之前，先來複習一下第一堂課講過的三種address：
Logical Addresses
主要是由segment base address加上offset組成，segment base address會在segment register。
Linear Addresses
又稱做Virtual Address，主要是在logical轉換成實體位置之前的過度位址，有4G byte。
Physical Address
最後的實體位置，對應著實際的memory cell，每個cell長度為一byte。
當compiler在配置記憶體給變數時，都是配置logical的offset給變數，然後CPU在執行每行指令時，會將logical address經過Segmentation Unit變成linear address，然後在經由Paging Unit變為最後的實體位置。
上圖為Address Translation過程，這邊注意的是這些轉換過程都是寫在CPU電路上的，並不是我們寫程式去執行的。在memory中有可能會有兩個processor同時要去存取同一塊記憶體，因此有Memory Arbitrator機制來保證不會發生此狀況。
接著開始進入Segmentation Unit，Segmentation Unit是在intel processor的protected mode底下addressing的機制，透過logical address 的 16bit segment selector以及32 bit 的 offset來計算出linear address。16 bit 的segment selector存在於segment register，IA-32 processor的segment register有六種，其中常用的為cs(code段用)、ds(data段用)，而segment selector的16個bit結構如下：
最右邊兩個bit是RPL(Request Privilege Level)，代表著執行權限，有分為kernel權限(00)以及user權限(11)。cs暫存器中的RPL稱做CPL(Current Privilege Level)，代表著目前執行的process所擁有的執行權限。從logical address轉到linear address時，processer會透過segment selector來找到該位址的segment base，再將offset加上這個base address便是完整的linear address，而這些segment會用一種方式將他儲存在Descriptor中，這些Descriptors又會放在table裡面，所以當processor要去找相對應的segment需要先找到table，然後再去找table裡面的某個欄位才會是processor要的segment descriptor。中間的TI(Table Indicator)就是用來辨認這一次要找的segment base要去哪個table找，而最前面剩下的13個bit就是描述table的第幾欄位(index)。
講了這麼多，到底什麼是Descriptor，而這些Descriptor又放在什麼table呢？
Segment Descriptor
為了方便管理記憶體，將記憶體切成一個區塊一個區塊，每個區塊叫做segment。而每個區塊的起始位置以及大小等資訊都會用 Descriptor 來記錄， Descriptor 大小為 8 byte：
- Base field (32): the linear address of the first byte of the segment.
- G granularity flag (1): 0 (byte); 1 (4K bytes).
- Limit field (20).
- S system flag (1): 0 (system segment); 1 (normal segment).
- Type field (4): segment type and its access rights.
- DPL (Descriptor privilege level) (2):
- Segment-present flag
- D/B flag
- Reserved bit
- AVL flag
DPL是表示此segment的執行權限，CPU查到此segment時，會將這個Descriptor的DPL跟segment register的CPL做比對，來看目前是否有權限執行。而Segment Descriptor又分為以下幾種：
- Code Segment Descriptor
- Data Segment Descriptor
- Task State Segment Descriptor
- Local Descriptor Table Descriptor
Task State Segment Descriptor(TSSD)是用在process切換時，儲存睡眠的proces暫存器狀態。下圖是Segment Descriptors的實際結構圖：
GDT v.s. LDT
Segment Descriptors 會存在Global Descriptor Table (GDT) 或者Local Descriptor Table (LDT)這兩個table當中。在GDT裡面儲存的Descriptors是所有process都能夠使用的，所以一顆CPU只會有一個GDT；而LDT則是給各別的process使用，process無法存取別人的LDT。GDT的起始位置會存在gdtr暫存器裡，gdtr是32 bit的linear address以及16 bit的 table 大小：
而LDT的起始位置是存在ldtr當中：
由於Segment Selector 的index只有13個bit，因此GDT最多只能有$2^{13}$個entry，GDT的index最小從0開始。接下來看Intel processor如何將logical address轉換成linear address的：
透過selector找到相對應的GDT或LDT後，根據index找到descriptor，再從descriptor裡面找到base address，然後跟offset相加就得到linear address啦！
Segmentation in Linux
在linux kernel中他不想要用x86架構的segmentation，他讓所有的segment的起始位置都是00000000，所有的segment大小都是ffffffff，因此每個segment都可以用到整個4G的記憶體空間。由於每個segment的base都是00000000，因此在linux底下的logical offset就是他的virtual address。下圖為linux的descriptor：
- Privilege Level Change
cs暫存器的RPL如果換成了不同的mode其他ds或是ss暫存器也要跟著切換。
剩下的linux GDT就到下次講比較完整。