保護模式及其程式設計——分頁機制
阿新 • • 發佈：2019-02-17
摘要：分頁機制是實現虛擬儲存的關鍵，但是它的實現比較簡單。傳統的頁都是<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">4K</span></span>大小，當然，在最近的核心中，分頁機制因為一些原因而比較繁瑣。在這裡，我們僅僅淺談最簡單的分頁機制，在其他的文章中，我們將講解現代新<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">linux</span></span>核心中的分頁機制。 我們通過設定<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">cr0</span></span>的<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">PG</span></span>位來開啟分頁機制。頁大小是<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">4K</span></span>，並且是<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">4K</span></span>對齊的。線性地址到實體地址的轉換中，可能某些線性地址是無效的。如果某個線性地址對應的頁不存在，那麼訪問的時候將產生一個異常。分頁和分段最大的不同就是分頁是固定大小的。為了減少地址轉化需要的匯流排週期數量，我們使用<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">TLB</span></span>快取最近使用的頁表。 <h1 style="margin: 0px; padding: 0px;"><a target=_blank name="t0" style="color: rgb(202, 0, 0);"></a><span style="font-size: 18px; color: rgb(255, 0, 0);"><span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">1.</span></span>頁表結構</span></h1> <h2 style="margin: 0px; padding: 0px;"><a target=_blank name="t1" style="color: rgb(202, 0, 0);"></a><span style="font-size: 18px; color: rgb(255, 0, 0);"><span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">1.1</span></span>兩級頁表結構</span></h2>頁表中，每項的大小是<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">32b</span></span>，其中<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">20b</span></span>用來存放頁面的實體地址，<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">12b</span></span>用於存放屬性資訊。 頁表含有<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">1M</span></span>個表項，每項<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">4B.</span></span>第一級表是頁目錄，存放在<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">1</span></span>頁<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">4k</span></span>頁面中，含有<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">1K</span></span>個表項。第二級是頁表，也是<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">1K</span></span>個表項。二級頁表的查詢過程如下圖 <img src="https://img-blog.csdn.net/20140219212854015?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvdHJvY2hpbHVzZXM=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/Center" alt="" style="border: none; max-width: 100%;" /> <h2 style="margin: 0px; padding: 0px;"><a target=_blank name="t2" style="color: rgb(202, 0, 0);"></a><span style="font-size: 18px; color: rgb(255, 0, 0);"><span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">1.2.</span></span>不存在的頁表</span></h2>頁目錄表的每個表項都有一個<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">present</span></span>屬性，這個屬性可以節省存放頁表所需要的空間。另外，這個屬性還可以用於在虛擬記憶體中存放二級頁表。這意味著，任何時候只有部分二級頁表在實體記憶體中，其餘可以儲存在磁碟上。 <h1 style="margin: 0px; padding: 0px;"><a target=_blank name="t3" style="color: rgb(202, 0, 0);"></a><span style="font-size: 18px; color: rgb(255, 0, 0);"><span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">2.</span></span>頁表項格式</span></h1> 頁表項格式如下圖： <img src="https://img-blog.csdn.net/20140219212909781?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvdHJvY2hpbHVzZXM=/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/Center" alt="" style="border: none; max-width: 100%;" /> 其中屬性位包含如下資訊： <span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">P——b0</span></span>，存在位標誌 <span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">R/W——b1</span></span>，讀寫位標誌 <span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">U/S——b2</span></span>，使用者<span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">/</span></span>超級使用者標誌 <span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">A——b5</span></span>，已經訪問標誌 <span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">D——b6</span></span>，髒位標誌 <span style="font-family: 'DejaVu Sans Mono', monospace;"><span lang="en-US">AVL——</span></span>保留欄位
G:第8b，表示全域性頁
<span style="font-size: 14.44444465637207px;">保護模式是否開啟，取決於cr0的第0位PG。</span>
<span style="font-size: 14.44444465637207px;"> </span>
<span style="font-size: 14.44444465637207px;">有關資料結構;一個頁表或者頁目錄項大小是4B；而開啟分頁機制以後，儲存單元變成了頁（不存在說，一部分儲存開啟了分頁機制，另外一部分沒有開啟分頁機制（除非這部分不能通過作業系統訪問到））。所以，一個頁上含有1024個頁表項；一個頁目錄，對應1K*4K=4M的空間；一個程式有4G的線性地址空間，正好需要1K個頁目錄來儲存，它佔用的頁表是4M.</span>
<span style="font-size: 14.44444465637207px;"> </span>
<span style="font-size: 14.44444465637207px;">另外，頁表和頁目錄表都表項都是32b的，其中地址對應的是20b（第12b清零）。</span>
<span style="font-size: 14.44444465637207px;"> </span>
<span style="font-size: 14.44444465637207px;">當頁目錄或者頁表項被修改的時候，對應TLB中的專案也就失效了；當cr3重新載入的時候，所有的TLB都失效了（G標誌為1的除外）</span>
<span style="font-size: 14.44444465637207px;">因為頁目錄基地址是4K對齊的，所以CR3中僅用20b來儲存它的基地址。</span>