📄 jiurl玩玩win2k内存篇 分页机制 (四).htm
字号:
<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN">
<!-- saved from url=(0070)http://jiurl.cosoft.org.cn/jiurl/document/JiurlPlayWin2k/MmPaging4.htm -->
<HTML><HEAD><TITLE>JIURL玩玩Win2k内存篇 分页机制 (四)</TITLE>
<META content="text/html; charset=gb2312" http-equiv=Content-Type>
<STYLE type=text/css>.title {
FONT-FAMILY: "黑体", Arial, sans-serif; FONT-SIZE: 21px; FONT-WEIGHT: bold; LINE-HEIGHT: 48px; TEXT-DECORATION: none
}
.author {
FONT-FAMILY: "宋体"; FONT-SIZE: 12px; LINE-HEIGHT: 16px
}
.content {
FONT-SIZE: 14px; LINE-HEIGHT: 20px
}
</STYLE>
<META content="MSHTML 5.00.2614.3500" name=GENERATOR></HEAD>
<BODY bgColor=#f7f7f7 topMargin=5>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE border=0 cellPadding=0 cellSpacing=0 height=29 width="96%">
<TBODY>
<TR>
<TD class=title height=41 width="100%">
<P align=center><FONT face=宋体>JIURL玩玩Win2k内存篇 分页机制
(四)</FONT></P></TD></TR></CENTER>
<TR>
<TD class=author height=9 width="100%">
<P align=center><FONT face=宋体>作者: <A
href="mailto:jiurl@mail.china.com">JIURL</A> </FONT></P></TD></TR>
<TR>
<TD class=author height=6 width="100%">
<P align=center><FONT
face=宋体>
主页: <A href="http://jiurl.yeah.net/">http://jiurl.yeah.net/</A>
</FONT></P></TD></TR>
<TR>
<TD class=author height=2 width="100%">
<P align=center><FONT face=宋体> 日期: 2003-7-30</FONT>
</P></TD></TR></TBODY></TABLE></DIV>
<DIV align=center>
<CENTER>
<TABLE border=0 cellPadding=0 cellSpacing=0 height=1 width="96%">
<TBODY>
<TR>
<TD height=1 width="100%">
<HR color=#396da5 SIZE=3>
</TD></TR></TBODY></TABLE></CENTER></DIV>
<DIV align=center>
<TABLE border=0 cellPadding=0 cellSpacing=0 class=content height=10000
width="96%">
<TBODY>
<TR>
<TD height=1041 vAlign=top width="131%"><FONT
face=宋体><B>为什么地址空间的大小是4G</B></FONT>
<P><FONT face=宋体>
使用32bit的cpu话，处理32bit的数据比较好。这就决定了在代码中将被非常频繁使用的地址是32bit的。而32bit的地址可以寻址的范围是从0x00000000
到 0xFFFFFFFF ，也就是4GB（对于以字节为单位的编址）大小的范围。也就决定了地址空间的大小是
4G。<BR><BR><BR><B>为什么一页的大小是4K</B>（只是我个人的看法）</FONT></P>
<P><FONT face=宋体>
确定了虚拟地址空间的大小之后，又决定使用分页来进行内存管理。权衡把虚拟地址转换成物理地址的效率和保存分页信息所用的代价之后，决定了使用页目录和页表2层转换。而使用2层转换最公平的方式就是页目录中的项数和页表中的项数都一样。由于所要保存足够的信息，又由于是32bit
cpu 所以，一个PTE或者一个PDE的大小是4个字节也是有理由的。当这些确定了之后，也就确定了一页的大小。</FONT></P>
<P><FONT face=宋体> 设一页大小是 x ,单位是字节。那么这样一页中有 (x/4)
个PTE或者PDE。一个PTE可以对应一页的地址空间，也就是大小为x个字节的地址空间，一个 Page Table 页中有(x/4)
个PTE，所以一个 Page Table 页可以对应(x/4)*x个字节的地址空间。一个PDE可以找到一个 Page Table
页，也就是大小为(x/4)*x个字节的地址空间，一个 Page Directory 页中有 (x/4) 个PDE，所以一个 Page
Directory 页可以对应 (x/4)(x/4)*x
个字节的地址空间。现在需要用一个PDE页对应整个地址空间，整个地址空间是4G字节，也就是4*1024*1024*1024 个字节。所以
(x/4)(x/4)*x=4*1024*1024*1024 可以算出 x = 4*1024 字节，也就是 4k 字节。</FONT></P>
<P><FONT face=宋体><B>地址转换的性能</B></FONT></P>
<P><FONT face=宋体>
一旦使用了分页（CPU的相关寄存器的分页标志位被设置），所有的内存操作都使用的是虚拟地址，CPU会自动转换成物理地址，可以想象将会有非常大量的地址转换，一次转换可能需要读页目录表，读页表，最后才在页中读写数据。所以有理由把一些页目录项和页表项放入高速缓存中来提高地址转换的速度。实际中也是这样做的，对于
x86 cpu ,如果启用了分页，cpu 会使用一个叫做 TLB(Translation Look-Aside Buffer)
的高速缓存来存储经常被用到的页目录和页表项。</FONT></P>
<P><FONT
face=宋体><B>页目录的地址为什么是C0300000，1个页目录加上1024个页表为什么只使用了1024*4K的地址空间</B></FONT></P>
<P><FONT face=宋体>
对于要映射整个4G地址空间，是需要1024个页表和1个页目录的,每个都是4KB大小，也就是
1024*4KB+1*4KB=4MB+4KB。而实际中Win2k把每个进程的页目录和页表映射到了从 0xC0000000到0xC03FFFFF
这4MB的地址空间中（页目录在0xC0300000开始的4K）。注意是4MB地址空间而不是4MB+4KB。1024个页表和1个页目录，应该是需要(1024+1)*4KB的地址空间的。而现在Win2k只使用了1024*4KB的地址空间这是为什么？</FONT></P>
<P><FONT face=宋体>
原因就是页表被映射到了进程的地址空间。<BR>
如果页表和页目录没有被映射到进程的地址空间中，而一个进程的4GB地址空间又都映射了物理内存的话，那么就确实需要1024个物理页来存放页表，和另外1个物理页来存放页目录，也就是需要(1024+1)*4KB的物理内存。<BR>但是页表被映射到了进程的地址空间中，这导致了一个页表的内容和页目录的内容是完全一样的，正是这种完全相同，使得将1024个页表加1个页目录映射到地址空间只需要1024*4KB的地址空间，其中的一个页表和页目录完全重合了。<BR>
一个页表1024项，每项对应4KB地址空间，一个页表对应4MB的地址空间。1024个对应了整个4GB地址空间。1024个页表也被映射到了从
0xC0000000到0xC03FFFFF 的4MB地址空间中。这4MB地址空间也是由一个页表来对应的。我们来看对应于从
0xC0000000到0xC03FFFFF
这4MB的地址空间的页表。该页表有1024项，每项对应一页的地址空间，表明是否在物理内存中，如果在，物理地址是多少。而这个页表是对应页表所在的4MB地址空间的，所以它的每一项对应的一页，正是每个页表所在的页。也就是说这个页表的每一项指出了一个页表是否有物理内存映射，如果有的话，物理地址是多少。这正是页目录所做的工作。把1024个页表映射到了地址空间，导致了1024个页表中的一个的内容和页目录完全重合，它既是页目录又是页表。所以1个页目录加上1024个页表只使用了1024*4K的地址空间。</FONT></P>
<P><FONT face=宋体>
页表被映射到地址空间的什么地方，是由操作系统的设计者决定的，他会综合考虑各种问题，作出最后的决定。不过一旦页表所在的地址空间的地址决定了，那么页目录的地址也就决定了，除非他打算多使用一页的地址空间保存和现在一个页表中完全相同的内容。</FONT></P>
<P><FONT face=宋体> Win2k中把页表映射到了从 0xC0000000到0xC03FFFFF
的4MB地址空间中，我们来计算一下负责这4M地址空间的那个页表的地址，那个页表就是和页目录重合的页表。4MB地址空间的首地址0xC0000000显然是由该页表的第一项负责的，我们用这个地址来计算。PTE_Address=(VirtualAddress>>12)*4+0xC0000000，<BR>(0xC0000000>>12)*4+0xC0000000=0xC0000*4+0xC0000000=0x300000+0xC0000000=0xC0300000<BR>正是页目录的虚拟地址。</FONT></P>
<P><FONT face=宋体>
0xC0300000到0xC0300FFF这4KB的地址空间，作为普通一页的话由一个PTE指明所在物理页的物理地址，作为一个页表所在页的话由一个PDE指明所在物理页的物理地址，作为页目录的话由CR3指明所在物理页的物理地址。<BR>
0xC0300000到0xC0300FFF这4KB作为普通的一页是由哪个PTE对应呢，PTE_Address=(VirtualAddress>>12)*4+0xC0000000，计算得到0xC0300C00。也就是说0xC0300C00处的4个字节作为PTE，指明了0xC0300000到0xC0300FFF这4KB所在的物理页的物理地址。<BR>
0xC0300000到0xC0300FFF这4KB作为一个页表所在页是由哪个PDE对应呢，PDE_Address=(VirtualAddress>>22)*4+0xC0300000，计算得到0xC0300C00。也就是说0xC0300C00处的4个字节作为PDE，指明了0xC0300000到0xC0300FFF这4KB所在的物理页的物理地址。<BR>
0xC0300000到0xC0300FFF这4KB作为页目录的话，由 CR3 指明所在物理页的物理地址。所以 0xC0300C00
处的4个字节的值，把标志位清0的话，就等于 CR3 中的值。</FONT></P>
<P><FONT face=宋体>下面这个特殊地址的转换过程，你就会发现页目录和一个页表确实是重合了，而且它既是页目录又是页表。<BR>虚拟地址
C0300C00 转换成物理地址，以下输出来自 kd。<BR><BR>kd> r cr3<BR>r
cr3<BR>cr3=069ca000<BR>// CPU第一步根据cr3里的物理地址找到页目录所在物理页<BR>//
取C0300000的最高10bit, 1100 0000 00 = 11 0000 0000 = 300
,作为页目录项索引，由于每项长4字节<BR>// 所以页目录项的物理地址为 300*4+069ca000=069cac00<BR>kd>
!dd 069cac00<BR>!dd 069cac00<BR># 69cac00 069ca063 01e2b063 00000000
01670163<BR># 69cac10 01671163 01672163 01673163 01674163<BR># 69cac20
01675163 01676163 01657163 01658163<BR># 69cac30 01659163 0165a163
0165b163 0165c163<BR># 69cac40 0165d163 0165e163 0165f163 016c0163<BR>#
69cac50 01681163 01682163 01683163 01684163<BR># 69cac60 01685163 01686163
01687163 01688163<BR># 69cac70 01689163 0168a163 0168b163 0168c163<BR>//
结果该页目录项中的物理地址（页目录项的高20bit是物理页帧号，低12bit是标志）是069ca000<BR>//
注意页表的物理地址等于页目录的物理地址，说明了页目录和页表是重合的。<BR><BR>//
CPU第二步根据该目录项中的物理地址找到页表所在的物理页<BR>// 取C0300000的最高10bit之后的10bit, 11 0000 0000
= 300 ,作为页表项索引，由于每项长4字节<BR>// 所以页表项的物理地址为
300*4+069ca000=069cac00<BR>kd> !dd 069cac00<BR>!dd 069cac00<BR>#
69cac00 069ca063 01e2b063 00000000 01670163<BR># 69cac10 01671163 01672163
01673163 01674163<BR># 69cac20 01675163 01676163 01657163 01658163<BR>#
69cac30 01659163 0165a163 0165b163 0165c163<BR># 69cac40 0165d163 0165e163
0165f163 016c0163<BR># 69cac50 01681163 01682163 01683163 01684163<BR>#
69cac60 01685163 01686163 01687163 01688163<BR># 69cac70 01689163 0168a163
0168b163 0168c163<BR>//
结果该页表项中的物理地址（页目录项的高20bit是物理页帧号，低12bit是标志）是069ca000<BR><BR>//
CPU第三步根据页表项中的物理地址找到物理页，用C0300000低12bit作为页内偏移，<BR>// 相加得到物理地址 ，低12bit, 1100
0000 0000 =c00,c00+069ca000=069cac00<BR>// 这样就得到了虚拟地址 C0300C00 对应的物理地址
069cac00<BR>kd> !dd 069cac00<BR>!dd 069cac00<BR># 69cac00 069ca063
01e2b063 00000000 01670163<BR># 69cac10 01671163 01672163 01673163
⌨️ 快捷键说明
复制代码
Ctrl + C
搜索代码
Ctrl + F
全屏模式
F11
切换主题
Ctrl + Shift + D
显示快捷键
?
增大字号
Ctrl + =
减小字号
Ctrl + -