物理内存和虚拟内存理论

在与 GDT 相关的章节中，我们知道分段物理内存地址使用的是段选择和计算偏移(Linux在X86上的虚拟内存管理)

在本章中，我们将实现内存的分页功能，其原理是将分段的线性地址转换成物理地址（分页表存储了虚拟（线性）地址到物理地址间的映射）。

为什么我们需要分页管理内存？

内存分页将允许我们的内核：

为避免歧义，保留部分原文

• use the hard-drive as a memory and not be limited by the machine ram memory limit
• to have a unique memory space for each process
• to allow and unallow memory space in a dynamic way

• 使用硬盘作为存储，且不受RAM内存的限制
• 每个进程使用独立的内存空间
• 控制是否以动态方式使用内存

注：每个进程都以为自己拥有全部的内存空间，如果为32位的操作系统，则进程认为自己拥有4GB的执行空间，但实际并没有这么多。

在一个分页系统中，每个进程都可能在一个独有的4GB的空间范围内执行（并不是指4GB的实际内存空间），且不会对其他用户进程或内存进程的内存空间产生影响。这样就简化了系统对多任务的处理。

分页管理内存是怎样工作的？

将线性地址转化为物理地址的几个步骤：

为避免歧义，保留部分原文

1. The processor use the registry CR3 to know the physical address of the pages directory.
2. The first 10 bits of the linear address represent an offset (between 0 and 1023), pointing to an entry in the pages directory. This entry contains the physical address of a pages table.
3. the next 10 bits of the linear address represent an offset, pointing to an entry in the pages table. This entry is pointing to a 4ko page.
4. The last 12 bits of the linear address represent an offset (between 0 and 4095), which indicates the position in the 4ko page.

1. 处理器从CR3寄存器中获取页目录的物理地址。（页目录中保存页面表）
2. 线性地址的前10位代表一个偏移（0-1023），它指向页目录中的一个索引项。这个索引项包含一个页面表的物理地址。（每个活动的进程都有一个独立的页面表）
3. 线性表接下来的10位偏移量，指向一个4ko大小的页（4ko即4k）。
4. 最后12位（0-4095），标记一个4ko页的位置。

注：CR3 是页目录基址寄存器，保存页目录表的物理地址

格式化页表和页目录

下图页目录和页表各字段看起来一样，但在我们的OS中只会使用到灰色区域的字段。

为避免歧义，保留部分原文

• P: indicate if the page or table is in physical memory
• R/W: indicate if the page or table is accessible in writting (equals 1)
• U/S: equals 1 to allow access to non-preferred tasks
• A: indicate if the page or table was accessed
• D: (only for pages table) indicate if the page was written
• PS (only for pages directory) indicate the size of pages:
  • 0 = 4kb
  • 1 = 4mb

• p: 标记一个页或表是否在物理内存中
• R/W: 标记一个页或表是否正在写（以书面形式访问） (equals 1：=1则是)
• U/S: 标记为1,则允许访问非优选的任务
• A: 标记一个页或表是否被访问过
• D: (只针对页表) 标记也是否被写过
• PS (只针对页目录) 标记页大小:
  • 0 = 4kb
  • 1 = 4mb

注意: 页目录与页表的地址，都要被写入20位（上图中12-31位），因为这些地址都是遵循4k对齐, 所以最后12位（0-12位）应该置0。

• 一个页目录或页表使用 1024*4 = 4096 bytes = 4k
• 一个页表可表示地址范围 1024 * 4k = 4 Mb
• 一个页目录可表示地址范围 1024 (1024 4k) = 4 Gb

怎样启动内存分页功能？

启动内存分页功能，我们只需要将 CR0 寄存器的第31位置1：

asm("  mov %%cr0, %%eax; \
       or %1, %%eax;     \
       mov %%eax, %%cr0" \
       :: "i"(0x80000000));

注：CR0 中包含了6个预定义标志，0位是保护允许位PE(Protedted Enable)，用于启动保护模式，如果PE位置1，则保护模式启动（分页模式），如果PE=0，则在实模式下运行。

但是之前，我们至少需要一个页表来初始化我们的页目录，也就是说页目录中至少要有一个页表项。

Identity Mapping

With the identity mapping model, the page will apply only to the kernel as the first 4 MB of virtual memory coincide with the first 4 MB of physical memory:

This model is simple: the first virtual memory page coincide to the first page in physical memory, the second page coincide to the second page on physical memory and so on ...

扩展资料

• 分页表
• Linux在X86上的虚拟内存管理
• cnblog上网友分享的内存管理笔记
• kernel-book中寄存器介绍