分页机制初探

2016-12-06

概述

好不容易搞明白了保护模式下的操作，兴致勃勃的进入分页机制这一章节，正好最近操作系统的课程上面也讲到了分页机制的内容。在操作系统上看了一遍原理，与真正用汇编实现与启动分页机制，这当中百种滋味，难以言表。

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行

一些前言

在80386当中，寄存器的位数为32位，也就说明了寻址空间已经大到4GB，在32位保护模式下，通过分段模式+偏移地址的方式，我们写的程序中的逻辑地址通过分段机制直接转换为逻辑地址。然而在虚拟化，或者进程进出的技术的需要，分页技术需要人们将一块内存空间作为一个单元使用，即”页”。在80386内，页的大小是被固定为4KB。

首先重点1) 页的大小为4KB ，即12位。

分页机制

在分页机制里面，我们汇编程序内的逻辑地址，通过分段机制转换为线性地址，然后这32位的线性地址再通过分页机制，转换为真正的物理地址。

简单的表示为:

            分段机制                        分页机制
逻辑地址 -------------->  线性地址  ----------------->  物理地址

那么什么是分页机制？

分页机制的实质其实就是一个两级索引表。

第一级表 PDE表

PDE即 Page Direct Entry. 一个PDE是4B，PDE表即一组连续的PDE。PDE表最多有1024个PDE。每一个PDE的其中20位指向了一个PTE表

第二级表

PTE 即 Page Table Entry. PTE同样也是4B大小，PTE表中有1024个PTE。每个PTE的20位作为每个物理页的基址。

从线性地址到物理地址

从上面看出，某个物理页表，是通过PTE表中的某个PTE所指向的，那么要得到一个完整的物理地址，就还缺少偏移地址。而PTE表呢，又是由某个PDE所指向的。
所以我们要将线性地址转换为物理地址，首先要得到PDE表的偏移地址1，得到一个PDE表。再用一个偏移地址2确定某个PTE表中的PTE，再从这个PTE得到物理页表，最后再用偏移地址3和物理页表确定真正的物理地址。

而我们的cr3寄存器就是用来存放偏移地址1，偏移地址2，偏移地址3的。
首先，PDE表中最多有1024个PDE，所以我们的偏移地址1有10位，PTE表中最多有1024个PTE，所以偏移地址2有10位，然后我们最终的物理页表有12位，所以偏移地址3需要12位，
三个偏移地址的长度加起来正好32位，依次从低到高的存放在了cr3寄存器中。

整个过程用图表示为:

那么现在假设我们有了线性地址，那么我们只要知道页表的地址，然后将PDE表和PTE表设置完成后即可。

所以在IA32中，我们将PDE的基地址存放在cr0寄存器的高20位中，(可以想一想为何是20位）
，然后在设置完PDE表和PTE表后，将cr0的最高位即PG位置1，即分页机制生效

实现

在这里我们用关键代码，实现f(线性地址) = 物理地址 = 线性地址的例子

...

PageDirBase        equ    200000h    ; 页目录开始地址: 2M
PageTblBase        equ    201000h    ; 页表开始地址: 2M+4K

 ...

LABEL_DESC_PAGE_DIR: Descriptor PageDirBase, 4095, DA_DRW;Page Directory
LABEL_DESC_PAGE_TBL: Descriptor PageTblBase, 1023, DA_DRW|DA_LIMIT_4K;Page Tables

...

; 启动分页机制 --------------------------------------------------------------
SetupPaging:
    ; 为简化处理, 所有线性地址对应相等的物理地址.

    ; 首先初始化页目录
    mov    ax, SelectorPageDir    ; 此段首地址为 PageDirBase
    mov    es, ax
    mov    ecx, 1024        ; 共 1K 个表项
    xor    edi, edi
    xor    eax, eax
    mov    eax, PageTblBase | PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.1:
    stosd
    add    eax, 4096        ; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的.
    loop    .1

    ; 再初始化所有页表 (1K 个, 4M 内存空间)
    mov    ax, SelectorPageTbl    ; 此段首地址为 PageTblBase
    mov    es, ax
    mov    ecx, 1024 * 1024    ; 共 1M 个页表项, 也即有 1M 个页
    xor    edi, edi
    xor    eax, eax
    mov    eax, PG_P  | PG_USU | PG_RWW
.2:
    stosd
    add    eax, 4096        ; 每一页指向 4K 的空间
    loop    .2

    mov    eax, PageDirBase
    mov    cr3, eax
    mov    eax, cr0
    or    eax, 80000000h
    mov    cr0, eax
    jmp    short .3
.3:
    nop

    ret
; 分页机制启动完毕 ----------------------------------------------------------

总结

可以看到，我们在代码中用了4kb+4MB的代价来寻址4GB的空间，然而在早期的内存中也许是只有几MB的，那么为了合理有效的利用分页机制，我们必须根据内存的可用空间来设置我们的PDE表和PTE表，这也是我接下来要学习的内容