📄 emm-ia32_2.htm
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<P class=MsoNormal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"><SPAN lang=EN-US><FONT
face="Times New Roman" size=6><SPAN style="mso-tab-count: 1"><STRONG>2.2 IA-32
Memory Management Mechanism</STRONG></SPAN></FONT></SPAN></P>
<P class=MsoNormal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"><SPAN lang=EN-US><FONT
face="Times New Roman" size=6><SPAN style="mso-tab-count: 1"><FONT
size=3></FONT></SPAN></FONT></SPAN> </P>
<P class=MsoNormal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt"><SPAN lang=EN-US><FONT
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<HR width="100%" SIZE=2>
</STRONG>
<P></P>
<P></P></SPAN></FONT></SPAN><SPAN lang=EN-US><FONT
face="Times New Roman TUR"><SPAN style="mso-tab-count: 1">
<P class=MsoNormal
style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt 21pt; TEXT-INDENT: -21pt; tab-stops: list 21.0pt; mso-list: l5 level1 lfo3"><SPAN
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><SPAN
lang=EN-US><FONT face="Times New Roman"><STRONG><FONT size=5>1. Segment
& Page</FONT></STRONG></FONT></SPAN></SPAN></SPAN></FONT></SPAN></P></DIV>
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<DIV class=Section1
style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"><FONT
face="Courier New" size=2>在IA-32体系上，内存地址概念分为3种：逻辑地址，线性地址和物理地址。</FONT></DIV>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=center><IMG src="emm-ia32_2.files/mm.gif"
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<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>其中逻辑地址指的是我们熟悉的Segment:Offset模式的地址，在IA-32上，Segment通过Segment
Selector来引用一个Segment Descriptor，在Segment Descriptor中定义了Segment Base
Address，Segment Limit，以及用作段保护目的的Segment
Attribute。在IA-32上任意给出的地址都是一个逻辑地址，即任意一个地址都是通过Segment:Offset的方式给出的。这是段内存访问模式的基本特点。所以我们在IA-32上，我们无法避免使用段模式，因为我们必须按照Segment:Offset的方式给出一个地址。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New" size=2>最终一个逻辑地址会通过Segment Base
Address+Offset的方式转化为一个线性地址，线性地址空间是指一段连续的，不分段的，范围为0到4GB的地址空间，一个线性地址就是线性地址空间的一个绝对地址。如果没有页模式，则一个线性地址就被直接映射为物理地址，二者是相同的。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>如果使用分页，则可以将一个大的线性地址空间映射到相对小的物理地址空间。其原理就是我们上一节所讨论的页表映射方式。页模式再IA-32上是可选的。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>我们在上一节内容中讨论了在内存管理模式中，如果我们想实现有效的虚拟内存管理，以让多个应用程序可以有效的使用有限的物理内存，我们需要使用Paging模式。而Paging模式实现的是线性空间到物理地址空间的映射。而在IA-32上，你无法直接操作线性空间，而只能给出逻辑地址，由IA-32的段机制将其转化为线性地址。但由于绝大多数硬件平台都不支持段模式，而支持Paging模式，所以为了让我们的OS有更好的可移植性，我们需要去掉段模式而只适用Paging模式。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>但令人讨厌的是，IA-32规定段模式是不可禁止的，你不可能绕过它直接给出线性空间地址，我们必须使用它。万般无奈之中，我们意识到，如果我们通过设置段，可以访问到全部4
GB线性空间，同时给出的逻辑地址中的Offset恰好等于线性空间地址，那么我们一旦装载好Segment
Selector之后，任意时刻给出的地址总是等于被转化后的线性地址的话，那么其效果和直接操作线性空间没有什么不同。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New" size=2>办法就是创建一个基地址为0,Segment Limit为4
GB的段，这时任意给出一个offset，则等式为0+offset=linear Address，也就是说offset=linear
Address，另外由于段机制规定offset <
4GB，所以offset的范围为[0h，FFFFFFFFh]，恰好是线形空间范围，这一切正是我们想要的。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>由于IA-32段机制规定，必须为代码段和数据段创建不同的段，所以我们必须分别为代码段和数据段分别创建一个Base
Address为0，Segment
Limit为4GB的段描述符，另外，由于我们的OS要让内核运行在特权级0，而用户程序运行在特权级别3，根据IA-32的段保护机制，特权级别3的程序是无法引用特权级别为0的段描述符的（因为CPL>DPL)，所以我们必须分别为内核和用户程序分别创建其代码段和数据段。这就意味着我们必须创建4个段描述符——特权级别0的代码段，特权级别0的数据段，特权级别3的代码段，特权级别3的数据段。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>如果我们这么定义段，段保护则失去了作用，因为这些段使用完全相同的线形空间，它们互相覆盖。你可以设想，如果不使用Paging的话，线形空间直接被影射到物理空间，则你修改任何一个段的数据，都会同时修改其它段的数据，段机制所提供的通过Base
Address:Limit方式将线形空间分割，以让段与段之间完全隔离，来实现段保护的方式在这种情况下根本就不存在了。那么这是不是意味着用户可以随意修改内核数据了？不要慌，我们之所以这么定义段，正是为了实现一个纯的Paging，此时我们已经不需要任何来自于段的保护（如果它提供了对我们来讲反而可能是个负担，比如我们仍然不得不使用4个段描述符。对一个纯粹的Paging而言，段机制的任何痕迹都是多余的），而Paging机制会提供给你所有你所需要的保护。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><STRONG><FONT face="Times New Roman" size=5>
<HR width="100%" SIZE=2>
</FONT></STRONG>
<P></P>
<P></P>
<P><STRONG><FONT face="Times New Roman" size=5></FONT></STRONG></P><SPAN
lang=EN-US><SPAN style="mso-tab-count: 1">
<P class=MsoNormal
style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt 21pt; TEXT-INDENT: -21pt; tab-stops: list 21.0pt; mso-list: l5 level1 lfo3"><SPAN
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lang=EN-US><FONT face="Times New Roman" size=5><STRONG><FONT
face="Times New Roman TUR">2.</FONT> Page
Table</STRONG></FONT></SPAN></SPAN></P><SPAN
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lang=EN-US><FONT face="Times New Roman" size=3>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New" size=2>IA-32模式对应两种页大小，提供了2种页表模式。对于4
KB页，使用2级页表；而4 MB则使用1级页表。我们不讨论4 MB的页，只讨论4 KB的页表模式。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>4KB页的2级页表模式与我们在上一节讨论的相同，这里就不再赘述。我们下面来看一看Page-Directory Entry和Page-Table
Entry的格式。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=center><IMG src="emm-ia32_2.files/pte.gif"
tppabs="http://pagoda-ooos.51.net/os_book/emm/ia-32/pte.GIF"></P>
<UL>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>Present-用来说明当前Page-Directory Entry所指向的Page
Table，或当前Page-Table
Entry所指向的Page是否在物理内存中，如果在，则设置为1，否则设为0。在一个线性地址到物理地址的转化过程中，如果对应的Page-Directory或Page
Table Entry的Present为0，则产生一个Page-Fault异常，相应的异常处理程序将对此异常进行处理，应该将相应的Page
Table或Page装入物理内存。CPU不会对这个标志进行任何操作，完全靠OS来设置或清除。</FONT></LI></UL>
<P><FONT face="Courier New" size=2>如果CPU产生一个Page-Fault异常，OS
Kernel中的Page-Fault异常处理程序必须按顺序做如下处理：</FONT></P>
<OL type=1>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>如果需要的话，将引起异常的Page从磁盘中装入物理内存。 </FONT>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>将此Page基地址的高20-bit设置到相应的Page-Table
Entry或Page-Directory
Entry的高20-bit。然后将此Entry的Present标志设为1。至于其它标志，比如Dirty和Access等，或许也需要被设置。 </FONT>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>Invalidate TLB中当前的Page-Table Entry。
</FONT>
<LI><FONT face="Courier New"
size=2>从Page-Fault异常处理程序中返回，重新执行引起异常的地址访问指令。</FONT></LI></OL>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New" size=2>
Present位是实现请求页虚拟内存算法的关键位，所有支持Paging的硬件平台都肯定支持这个位。</FONT></P>
<UL>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>Read/Write（R/W）-用来指定一个页(PTE)
或一组页（PDE）是Read-Only的还是Read-Write的，一般将代码页设为Read-Only的，将数据页设为Read-Write的，但在进程fork的时候，也会将数据页设为Read-Only的，以实现Copy-On-Write技术。如果这个位被设置，则表示是Read-Write的，如果被清零，则表示是Read-Only的。</FONT></LI></UL>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New" size=2>
Read/Write域是页保护机制的关键位之一，所有支持Paging的硬件平台都肯定支持这个位。</FONT></P>
<UL>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>User/Supervisor（U/S）-用来指定一个页(PTE)
或一组页（PDE）的访问权限。一般将OS
Kernel的数据和代码设置为Supervisor权限，将用户进程的数据和代码设置为User权限。如果这个位被设置，则表示此页（PDE），或此组页(PTE)是User权限，CPL位任何值都可以访问这些页；如果被清零，则表示此页（PDE），或此组页(PTE)是Supervisor权限，只有CPL=0,1,2时才能访问这些页，CPL=3时，访问这些页会引起Page-Fault异常。</FONT></LI></UL>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2> User/Supervisor位是页保护机制的关键位之一，所有支持Paging的硬件平台都肯定支持这个位。</FONT></P>
<UL>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>Page-level Write
Through（PWT）-用于控制对单个Page，或者单个Page
Table的Write-through或write-back缓冲策略。如果PWT位被设置，则Write-through缓冲策略被使用。否则，Write-back缓冲策略被使用。如果CR0寄存器的CD(Cache-Disable)位被设置，则PWT的值被忽略，因为此时整个分页系统缓冲已经被禁止，已经谈不上什么缓冲策略了。</FONT></LI></UL>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><BR> </P></FONT></SPAN></SPAN></SPAN></SPAN><STRONG><FONT
face="Times New Roman" size=5>
<HR width="100%" SIZE=2>
<P></P></FONT></STRONG>
<P></P>
<P><STRONG><FONT face="Times New Roman" size=5></FONT></STRONG></P><SPAN
lang=EN-US><SPAN style="mso-tab-count: 1">
<P class=MsoNormal
style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt 21pt; TEXT-INDENT: -21pt; tab-stops: list 21.0pt; mso-list: l5 level1 lfo3"><SPAN
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lang=EN-US><FONT face="Times New Roman" size=5><STRONG><FONT
face="Times New Roman TUR">3.</FONT> Enable</STRONG></FONT></SPAN></SPAN><SPAN
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><SPAN
lang=EN-US><FONT face="Times New Roman"
size=5><STRONG> Paging</STRONG></FONT></SPAN></SPAN></SPAN></SPAN></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left> </P></BODY></HTML>
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