一个操作系统的实现（4）：分页机制

分页与分段最大的不同之处在于分页是用来固定长度的页面（一般为4KB）。如果仅适用分段地址转换，那么存储在物理内存中的一个数据结构将包含器所有部分。但如果适用了分页，那么一个数据结构就可以一部分存储在物理内存中，而另一部分保存在磁盘中。这也就是分页机制在现代内存管理中存在的重要性。

那么首先我们还是熟悉一下分页机制的基本概念。



如上图所示，分页是在分段的基础上将线性地址转化为物理地址。转换时使用了两级页表，第一级是页目录，大小为4KB，存储在一个物理页上，每个表项4字节长，共有1024个表项。每个表项对应第二级的一个页表，第二级的每个页表也有1024个表项，每个表项对应一个物理页。页目录表的表项简称PDE（Page Directory Entry），页表的表项简称PTE（Page
Table Entry）。

整个转换过程：

1）先是从寄存器cr3指定的页目录中根据线性地址的高10位得到页表。

2）在页表中，根据线性地址的第12—21位得到物理页首地址。

3）将这个首地址，加上线性地址的低12位便得到了物理地址。

PDE的结构图如下：



PTE的结构图如下：



cr3的结构图如下：



下面我们还是通过分析代码来理解分页:

[cpp]
view plain
copy

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

; 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 200000h(2M)
mov es, ax ; es：[edi]指向PageDirBase，页目录表基地址
mov ecx, 1024 ; 共 1K 个表项,循环1024次
xor edi, edi
xor eax, eax
mov eax, PageTblBase | PG_P | PG_USU | PG_RWW ; eax里是PageTblBase（201000h）加上属性PG_P | PG_USU | PG_RWW后的结果，也就是第一个页表的地址和属性

.1:
stosd ; es：[edi] ← eax ; 把第一个页表地址、属性填入页目录基地址，也就是第一个页目录表项里

add eax, 4096 ; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的. ;eax里存的其实就是页目录表项的内容，这里在第一个表项内容基础上加上4096，相当与第二个表项指向的页

表基地址是PageTblBase+4096，下面是循环以此类推...
loop .1 ;循环1024次，完成页目录里1024个表项的初始化

; 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 ; es：[edi]指向PageTblBase，页表基地址
mov ecx, 1024 * 1024 ; 1024个页表，每个页表有1024个表项， 也就是有 1M 个页
xor edi, edi
xor eax, eax
mov eax, PG_P | PG_USU | PG_RWW ; 这里属性前没有地址，其实地址是0，也就是将线性地址0开始的4K空间映射到物理地址上
.2:
stosd ; es：[edi] ← eax ; 把第一个页表地址、属性填入页表基地址，也就是第一个页表里
add eax, 4096 ; 下一页表里存放的基地址在前一个的基地址基础上+4049，实际就是表明一个页的大小为4K
loop .2 ; 循环1M次，每次映射1页(4K大小的空间)，所以总共映射了4G空间

mov eax, PageDirBase
mov cr3, eax ;cr3寄存器里存入PageDirBase基地址
mov eax, cr0
or eax, 80000000h
mov cr0, eax ;将控制寄存器cr0的PE标志(位31)置为1，开启分页机制
jmp short .3
.3:
nop

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

上述程序大致做了这样的事：构建页目录表和页表，为了构建简单，表项都在内存中连续存放，将页目录表基地址存入cr3中，然后开启分页机制。

关键的地方是在页目录表和页表结构里的基地址内容：

PDE里页表基址：依次为201000，202000......600000。总共1024个，每两个页表基地址相差4K，这是由于一个页表基址指向的是1024个页表的基地址，而每个页表4个字节。

PTE里页基址：依次为0000 0000，0000 01000......FFFF FFFF。总共1024*1024个，没两个页基址相差4K，这是由于一个页面占4K。这样就将4G的地址空间全都映射到了。

分页的图示：



书中还提到一句话 "切换任务时通过改变cr3的值来切换页目录，从而改变地址映射关系”，这应该是切换进程时要做的事吧。