?? 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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size=3>] [</FONT><FONT size=3>Next</FONT><FONT
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</STRONG>
<P></P>
<P></P></SPAN></FONT></SPAN><SPAN lang=EN-US><FONT
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<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"><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體系上，內存地址概念分為3種：邏輯地址，線性地址和物理地址。</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>其中邏輯地址指的是我們熟悉的Segment:Offset模式的地址，在IA-32上，Segment通過Segment
Selector來引用一個Segment Descriptor，在Segment Descriptor中定義了Segment Base
Address，Segment Limit，以及用作段保護目的的Segment
Attribute。在IA-32上任意給出的地址都是一個邏輯地址，即任意一個地址都是通過Segment:Offset的方式給出的。這是段內存訪問模式的基本特點。所以我們在IA-32上，我們無法避免使用段模式，因為我們必須按照Segment:Offset的方式給出一個地址。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New" size=2>最終一個邏輯地址會通過Segment Base
Address+Offset的方式轉化為一個線性地址，線性地址空間是指一段連續的，不分段的，范圍為0到4GB的地址空間，一個線性地址就是線性地址空間的一個絕對地址。如果沒有頁模式，則一個線性地址就被直接映射為物理地址，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>如果使用分頁，則可以將一個大的線性地址空間映射到相對小的物理地址空間。其原理就是我們上一節所討論的頁表映射方式。頁模式再IA-32上是可選的。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>我們在上一節內容中討論了在內存管理模式中，如果我們想實現有效的虛擬內存管理，以讓多個應用程序可以有效的使用有限的物理內存，我們需要使用Paging模式。而Paging模式實現的是線性空間到物理地址空間的映射。而在IA-32上，你無法直接操作線性空間，而只能給出邏輯地址，由IA-32的段機制將其轉化為線性地址。但由于絕大多數硬件平臺都不支持段模式，而支持Paging模式，所以為了讓我們的OS有更好的可移植性，我們需要去掉段模式而只適用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>但令人討厭的是，IA-32規定段模式是不可禁止的，你不可能繞過它直接給出線性空間地址，我們必須使用它。萬般無奈之中，我們意識到，如果我們通過設置段，可以訪問到全部4
GB線性空間，同時給出的邏輯地址中的Offset恰好等于線性空間地址，那么我們一旦裝載好Segment
Selector之后，任意時刻給出的地址總是等于被轉化后的線性地址的話，那么其效果和直接操作線性空間沒有什么不同。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New" size=2>辦法就是創建一個基地址為0,Segment Limit為4
GB的段，這時任意給出一個offset，則等式為0+offset=linear Address，也就是說offset=linear
Address，另外由于段機制規定offset <
4GB，所以offset的范圍為[0h，FFFFFFFFh]，恰好是線形空間范圍，這一切正是我們想要的。</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段機制規定，必須為代碼段和數據段創建不同的段，所以我們必須分別為代碼段和數據段分別創建一個Base
Address為0，Segment
Limit為4GB的段描述符，另外，由于我們的OS要讓內核運行在特權級0，而用戶程序運行在特權級別3，根據IA-32的段保護機制，特權級別3的程序是無法引用特權級別為0的段描述符的（因為CPL>DPL)，所以我們必須分別為內核和用戶程序分別創建其代碼段和數據段。這就意味著我們必須創建4個段描述符——特權級別0的代碼段，特權級別0的數據段，特權級別3的代碼段，特權級別3的數據段。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>如果我們這么定義段，段保護則失去了作用，因為這些段使用完全相同的線形空間，它們互相覆蓋。你可以設想，如果不使用Paging的話，線形空間直接被影射到物理空間，則你修改任何一個段的數據，都會同時修改其它段的數據，段機制所提供的通過Base
Address:Limit方式將線形空間分割，以讓段與段之間完全隔離，來實現段保護的方式在這種情況下根本就不存在了。那么這是不是意味著用戶可以隨意修改內核數據了？不要慌，我們之所以這么定義段，正是為了實現一個純的Paging，此時我們已經不需要任何來自于段的保護（如果它提供了對我們來講反而可能是個負擔，比如我們仍然不得不使用4個段描述符。對一個純粹的Paging而言，段機制的任何痕跡都是多余的），而Paging機制會提供給你所有你所需要的保護。</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
style="FONT-FAMILY: 宋體; 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><FONT
face="Times New Roman TUR">2.</FONT> Page
Table</STRONG></FONT></SPAN></SPAN></P><SPAN
style="FONT-FAMILY: 宋體; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'"><SPAN
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模式對應兩種頁大小，提供了2種頁表模式。對于4
KB頁，使用2級頁表；而4 MB則使用1級頁表。我們不討論4 MB的頁，只討論4 KB的頁表模式。</FONT></P>
<P class=Section1 style="LAYOUT-GRID-CHAR: none; LAYOUT-GRID-LINE: 15.6pt"
align=left><FONT face="Courier New"
size=2>4KB頁的2級頁表模式與我們在上一節討論的相同，這里就不再贅述。我們下面來看一看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-用來說明當前Page-Directory Entry所指向的Page
Table，或當前Page-Table
Entry所指向的Page是否在物理內存中，如果在，則設置為1，否則設為0。在一個線性地址到物理地址的轉化過程中，如果對應的Page-Directory或Page
Table Entry的Present為0，則產生一個Page-Fault異常，相應的異常處理程序將對此異常進行處理，應該將相應的Page
Table或Page裝入物理內存。CPU不會對這個標志進行任何操作，完全靠OS來設置或清除。</FONT></LI></UL>
<P><FONT face="Courier New" size=2>如果CPU產生一個Page-Fault異常，OS
Kernel中的Page-Fault異常處理程序必須按順序做如下處理：</FONT></P>
<OL type=1>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>如果需要的話，將引起異常的Page從磁盤中裝入物理內存。 </FONT>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>將此Page基地址的高20-bit設置到相應的Page-Table
Entry或Page-Directory
Entry的高20-bit。然后將此Entry的Present標志設為1。至于其它標志，比如Dirty和Access等，或許也需要被設置。 </FONT>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>Invalidate TLB中當前的Page-Table Entry。
</FONT>
<LI><FONT face="Courier New"
size=2>從Page-Fault異常處理程序中返回，重新執行引起異常的地址訪問指令。</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位是實現請求頁虛擬內存算法的關鍵位，所有支持Paging的硬件平臺都肯定支持這個位。</FONT></P>
<UL>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>Read/Write（R/W）-用來指定一個頁(PTE)
或一組頁（PDE）是Read-Only的還是Read-Write的，一般將代碼頁設為Read-Only的，將數據頁設為Read-Write的，但在進程fork的時候，也會將數據頁設為Read-Only的，以實現Copy-On-Write技術。如果這個位被設置，則表示是Read-Write的，如果被清零，則表示是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域是頁保護機制的關鍵位之一，所有支持Paging的硬件平臺都肯定支持這個位。</FONT></P>
<UL>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>User/Supervisor（U/S）-用來指定一個頁(PTE)
或一組頁（PDE）的訪問權限。一般將OS
Kernel的數據和代碼設置為Supervisor權限，將用戶進程的數據和代碼設置為User權限。如果這個位被設置，則表示此頁（PDE），或此組頁(PTE)是User權限，CPL位任何值都可以訪問這些頁；如果被清零，則表示此頁（PDE），或此組頁(PTE)是Supervisor權限，只有CPL=0,1,2時才能訪問這些頁，CPL=3時，訪問這些頁會引起Page-Fault異常。</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位是頁保護機制的關鍵位之一，所有支持Paging的硬件平臺都肯定支持這個位。</FONT></P>
<UL>
<LI><FONT face="Courier New" size=2>Page-level Write
Through（PWT）-用于控制對單個Page，或者單個Page
Table的Write-through或write-back緩沖策略。如果PWT位被設置，則Write-through緩沖策略被使用。否則，Write-back緩沖策略被使用。如果CR0寄存器的CD(Cache-Disable)位被設置，則PWT的值被忽略，因為此時整個分頁系統緩沖已經被禁止，已經談不上什么緩沖策略了。</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: 宋體; 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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