保护模式内存管理机制

MIT6.828——Lab1 PartA

MIT6.828——Lab1 PartB

分段机制的问题

​ 分段的主要问题，出现在内存不足或者内存碎片过多的情况下。对于一个程序而言，例如其代码段长度就和其代码的长度直接相关，各个段的大小是不固定的，不能拆分的，要装入内存便一次性将一个整段都装入，因此在内存紧张时，就会出现问题。可以想象到的解决方法有这样一种：将段换出到磁盘上，从而空出一部分的物理内存空间。但是同样的，如果段长度过长，内存过小，在频繁的换入换出也无济于事。

​ 问题的本质在于，分段机制下产生的连续线性地址，被认为在物理内存上也是连续的，线性地址就是物理地址。但是我们可用的物理地址并不是连续的，因此就会产生冲突。所以解决这个问题的关键在于，是否可以：线性地址连续，对应的物理地址不连续？为了解除这种一一映射的关系，便可以通过地址映射。

​ 即 线性地址（虚拟地址）——页表——> 物理地址。

​ 为了效率的问题，这种映射关系写在页表里，页表在内存中，查表的工作由硬件完成。

分页机制的思想：通过映射，可以使得连续的线性地址与任意的物理地址相关联，逻辑上连续的线性地址对应的物理地址可以不连续。

分段机制的作用：将线性地址转化为物理地址；用大小相等（4KB）的页代替大小不等的段。

页表结构

一级页表

首先针对一级页表而言，寻址过程可以由下图表示

可以看到，分页机制仍旧是基于分段基础上的。将分段形成的线性地址，进行划分，利用高20位作为在页表内寻址的偏移量，寻址页表项，其中页表项的基址（物理地址）放在CR3寄存器中。再利用低12位，结合页表项给出的基址，合成物理地址，送上地址总线，即可寻址物理内存单元。可以看到，因为划分了低12位为页内偏移，因此页表的大小也就是4KB，这是一个常用的页大小值。而高20位，则说明，页表中含1M项页表项，占内存位4MB。

二级页表

​ 在一级页表的铺垫下，便有了另一个问题。页表的大小为4M，且必须提前建立好，每个进程都有自己的页表，如果进程数很多，页表的内存开销便很可观，因此是否可以动态的创建页表项呢？解决这个问题的答案就是二级页表。二级页表的思想是，将1M页平均放到1K个页表中，每个页表1K个页表项，占据内存位4KB，刚好为一页的大小。为了存储这些页表，引入了页目录。每个页表的物理地址，都在页目录中以页目录项的形式存储。因为最多1K页表，因此页目录大小也为4KB，一页的大小。

​ 二级页表下的寻址过程如下：

​ 现在需要了解一下，页表项和页目录项的详细信息了。这部分信息，可以在Intel系统开发手册上得到详细说明。

这里直接截取部分说明了：

开启分页机制

开启分页机制，需要做三件事：

• 准备好页表和页目录
• 将页目录的物理地址写入CR3
• 寄存器CR0的PG位置1

编程实例

在之前的mit6.828实验1中，已经看到了一个比较基本的实例，如何进入保护模式，并进行分页操作。为了对于lab2有一个更好的理解，这里截取一部分《操作系统真象还原》的代码进行解释说明。这里可以和lab1部分结合来看

建立GDT进入保护模式

GDT_BASE:   dd    0x00000000  			dd    0x00000000  CODE_DESC:  dd    0x0000FFFF  			dd    DESC_CODE_HIGH4  DATA_STACK_DESC:dd    0x0000FFFF 				dd    DESC_DATA_HIGH4  VIDEO_DESC: dd    0x80000007 			dd    DESC_VIDEO_HIGH4    GDT_SIZE    equ   $ - GDT_BASE GDT_LIMIT   equ   GDT_SIZE -1  gdt_ptr  dw  GDT_LIMIT  		 dd  GDT_BASE 		  ;-----------------  打开A20  ---------------- in al,0x92 or al,0000_0010B out 0x92,al ;-----------------  加载GDT  ---------------- lgdt [gdt_ptr] ;-----------------  cr0第0位置1  ---------------- mov eax, cr0 or eax, 0x00000001 mov cr0, eax  jmp dword SELECTOR_CODE:p_mode_start	     ; 刷新流水线 [bits 32] p_mode_start:    mov ax, SELECTOR_DATA    mov ds, ax    mov es, ax    mov ss, ax    mov esp,LOADER_STACK_TOP    mov ax, SELECTOR_VIDEO    mov gs, ax 

按约定，GDT的第一个段描述符为空，这里建立了三个段，都是按照段描述符的规格进行性质填充，对照相关位的含义既可以知道段的信息。为了装载GDT，使用命令lgdt即可。进入保护模式后，寻址就需要使用段选择子，这在之前的lab1中也说到了。

开启分页

首先规划内存的整体布局，可以先画出下面这张图

人为规定的，将页目录放在了物理地址0x100000处，将第一个页表，放在了物理地址0x101000处。同时划分进程的虚拟地址空间位高端1GB内核空间和低端3GB用户控件。首先需要注意的是，在虚拟内存空间中，将高端1GB完全分给了内核。这对于每个进程都是一样的，为了实现所有进程的内核共享，这部分空间固定占据了页目录项的第0xc00项至第1023项。对于页目录而言，第0项存储了第0个页表的位置，最后一项存储了页目录自身在物理内存中的位置。

值得注意的是，页表0和页表c00都映射到了物理内存的低端1MB。这么做的原因是，在内核加载到内存空间之前，运行的一直是loader程序，它运行在低端1MB。为了保证之前段机制下的地址和现在分页后的地址一致，内核的前1MB也需要映射到物理内存低端1MB空间。低端的1MB=256*4KB，因此占据了256页，需要256个页表项。

在这部分说明之后，下面便是具体的实现：

setup_page: ;先把页目录占用的空间逐字节清0    mov ecx, 4096    mov esi, 0 .clear_page_dir:    mov byte [PAGE_DIR_TABLE_POS + esi], 0    inc esi    loop .clear_page_dir  ;开始创建页目录项(PDE) .create_pde:				     ; 创建Page Directory Entry    mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS    add eax, 0x1000 			     ; 此时eax为第一个页表的位置及属性    mov ebx, eax				     ; 此处为ebx赋值，是为.create_pte做准备，ebx为基址。  ;   下面将页目录项0和0xc00都存为第一个页表的地址， ;   一个页表可表示4MB内存,这样0xc03fffff以下的地址和0x003fffff以下的地址都指向相同的页表， ;   这是为将地址映射为内核地址做准备    or eax, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P	         ; 页目录项的属性RW和P位为1,US为1,表示用户属性,所有特权级别都可以访问.    mov [PAGE_DIR_TABLE_POS + 0x0], eax       ; 第1个目录项,在页目录表中的第1个目录项写入第一个页表的位置(0x101000)及属性    mov [PAGE_DIR_TABLE_POS + 0xc00], eax     ; 一个页表项占用4字节,0xc00表示第768个页表占用的目录项,0xc00以上的目录项用于内核空间, 					     				     ; 也就是页表的0xc0000000~0xffffffff共计1G属于内核,0x0~0xbfffffff共计3G属于用户进程.    sub eax, 0x1000    mov [PAGE_DIR_TABLE_POS + 4092], eax	     ; 使最后一个目录项指向页目录表自己的地址  ;下面创建页表项(PTE)    mov ecx, 256				                 ; 1M低端内存 / 每页大小4k = 256    mov esi, 0    mov edx, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P	     ; 属性为7,US=1,RW=1,P=1 .create_pte:				                 ; 创建Page Table Entry    mov [ebx+esi*4],edx			             ; 此时的ebx已经在上面通过eax赋值为0x101000,也就是第一个页表的地址     add edx,4096    inc esi    loop .create_pte  ;创建内核其它页表的PDE    mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS    add eax, 0x2000 		     ; 此时eax为第二个页表的位置    or eax, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P  ; 页目录项的属性RW和P位为1,US为0    mov ebx, PAGE_DIR_TABLE_POS    mov ecx, 254			     ; 范围为第769~1022的所有目录项数量    mov esi, 769 .create_kernel_pde:    mov [ebx+esi*4], eax    inc esi    add eax, 0x1000    loop .create_kernel_pde    ret 

在建立好了虚拟内存的布局之后，就可以正式开启分页机制

call setup_page  ;要将描述符表地址及偏移量写入内存gdt_ptr,一会用新地址重新加载 sgdt [gdt_ptr]	      ; 存储到原来gdt所有的位置  ;将gdt描述符中视频段描述符中的段基址+0xc0000000 mov ebx, [gdt_ptr + 2]   or dword [ebx + 0x18 + 4], 0xc0000000      ;视频段是第3个段描述符,每个描述符是8字节,故0x18。 ;段描述符的高4字节的最高位是段基址的31~24位  ;将gdt的基址加上0xc0000000使其成为内核所在的高地址 add dword [gdt_ptr + 2], 0xc0000000  add esp, 0xc0000000        ; 将栈指针同样映射到内核地址  ; 把页目录地址赋给cr3 mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS mov cr3, eax  ; 打开cr0的pg位(第31位) mov eax, cr0 or eax, 0x80000000 mov cr0, eax  ;在开启分页后,用gdt新的地址重新加载 lgdt [gdt_ptr]             ; 重新加载