虛擬地址與物理地址怎么映射
虛擬地址與物理地址怎么映射
每個進程都是獨立的虛擬地址空間,兩個獨立進程的相同地址互不干擾,但是在物理上對每個進程可能也就分了一部分空間給了某個進程,所以中間就要用到映射，那么虛擬地址與物理地址怎么映射呢?今天學習啦小編與大家分享下虛擬地址與物理地址映射的具體操作步驟，有需要的朋友不妨了解下。
虛擬地址與物理地址映射過程
這里只談分頁管理的機制，也是目前最重要的內(nèi)存管理機制。
最初的設計想法：
結(jié)構(gòu)圖如下：
頁的尺寸是4KB，虛擬地址的前20位用于指定一個物理頁，后12位用于訪問頁內(nèi)偏移。
頁表項的結(jié)構(gòu)：
各個位的含義：
P--位0是存在(Present)標志，用于指明表項對地址轉(zhuǎn)換是否有效。P=1表示有效;P=0表示無效。在頁轉(zhuǎn)換過程中，如果說涉及的頁目錄或頁表的表項無效，則會導致一個異常。如果P=0，那么除表示表項無效外，其余位可供程序自由使用，如圖4-18b所示。例如，操作系統(tǒng)可以使用這些位來保存已存儲在磁盤上的頁面的序號。
R/W--位1是讀/寫(Read/Write)標志。如果等于1，表示頁面可以被讀、寫或執(zhí)行。如果為0，表示頁面只讀或可執(zhí)行。當處理器運行在超級用戶特權(quán)級(級別0、1或2)時，則R/W位不起作用。頁目錄項中的R/W位對其所映射的所有頁面起作用。
U/S--位2是用戶/超級用戶(User/Supervisor)標志。如果為1，那么運行在任何特權(quán)級上的程序都可以訪問該頁面。如果為0，那么頁面只能被運行在超級用戶特權(quán)級(0、1或2)上的程序訪問。頁目錄項中的U/S位對其所映射的所有頁面起作用。
A--位5是已訪問(Accessed)標志。當處理器訪問頁表項映射的頁面時，頁表表項的這個標志就會被置為1。當處理器訪問頁目錄表項映射的任何頁面時，頁目錄表項的這個標志就會被置為1。處理器只負責設置該標志，操作系統(tǒng)可通過定期地復位該標志來統(tǒng)計頁面的使用情況。
D--位6是頁面已被修改(Dirty)標志。當處理器對一個頁面執(zhí)行寫操作時，就會設置對應頁表表項的D標志。處理器并不會修改頁目錄項中的D標志。
AVL--該字段保留專供程序使用。處理器不會修改這幾位，以后的升級處理器也不會。
由于頁表占用內(nèi)存空間太大(1M個元素*4B大小=4MB，也可以這么看：每個進程的虛擬地址空間=4G，頁面大小=4K，所以共有1M個頁，需要1M個頁表項，又因為每個頁表項=4B，所以頁表大小=4M)，為了減少內(nèi)存占用量，因此設計了層次化的分頁結(jié)構(gòu)：頁目錄表+頁表。
層次化的設計想法：
因為4GB的虛擬內(nèi)存共有1M=220=1048576個4K大小的頁面。
我們將這些頁面分成210=1024份，即從頁表1到頁表1024，由頁目錄表管理;
每一份(每一頁表)有210=1024個頁，由每一個頁表管理，頁在頁表中是隨機的，哪個頁位于哪個頁表中是沒有規(guī)律的;
結(jié)構(gòu)圖如下：
每個任務都有這樣的層次化的分頁結(jié)構(gòu)，即每個任務都有自己的頁目錄表和頁表。
從硬件角度來分析：
在處理器中有個控制寄存器CR3，存放著當前任務頁目錄的物理地址，故又叫做頁目錄基址寄存器(Page Directory Base Register，PDBR)，每個任務都存放了自己的頁目錄物理地址，當任務切換時，處理器切換到新任務開始執(zhí)行，更新CR3寄存器的內(nèi)容，以指向新任務的頁目錄位置;
相應的，頁目錄又指向了一個個的頁表，每個頁表又根據(jù)任務的頁表項指向了相應的頁。其中注意的是，頁目錄和頁表也是普通的頁，混跡于全部的物理頁中，它們和普通頁的不同之處僅僅在于功能不一樣，當任務撤銷之后, 它們和任務所占用的普通頁一樣會被回收, 并分配給其他任務(如下圖所示)。
下面內(nèi)容轉(zhuǎn)自《分頁機制》，寫的很清楚。
地址變換的具體過程
對于Intel處理器來說, 有關分頁, 最簡單和最基本的機制就是這些; CR3寄存器給出了頁目錄的物理地址; 頁目錄給出了所有頁表的物理地址, 而每個頁表給出了它所包含的頁的物理地址. 好了, 該清楚的都清楚了, 唯一還不明白的, 應該是如何用這種層次性的分頁結(jié)構(gòu)把線性地址轉(zhuǎn)換成物理地址? 這里舉個例子, 某任務加載后, 在4GB虛擬地址空間創(chuàng)建了一個段, 起始地址為0x00800000, 段界限為0x5000, 字節(jié)粒度. 當前任務執(zhí)行時, 段寄存器DS指向該段. 又假設執(zhí)行了下面一條指令
mov edx, [0x1050]
此時, 段部件會輸出線性地址0x00801050. 在沒有開啟分頁機制時, 這就是要訪問的物理地址. 但現(xiàn)在開啟了分頁機制, 所以這是一個下虛擬地址, 要經(jīng)過頁部件轉(zhuǎn)換, 才能得到物理地址.
如下圖所示, 處理器的頁部件專門負責線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換工作. 它首先將段部件送來的32位線性地址分為3段, 分別是高10位, 中間10位, 低12位. 高10位是頁目錄的索引, 中間10位是頁表的索引, 低12位則作為頁內(nèi)偏移量來用.
當前任務頁目錄的物理地址在處理器的CR3寄存器中, 假設它的內(nèi)容為0x00005000. 段管理部件輸出的線性地址是0x00801050, 其二進制的形式如圖中給出. 高10位是十六進制的0x002, 它是頁目錄表內(nèi)的索引,處理器將它乘以4(因為每個目錄項4字節(jié)), 作為偏移量訪問頁目錄. 最終處理器從物理地址00005008處取得頁表的物理地址0x08001000.
線性地址的中間10位為0x001, 處理器用它作為頁表索引取得頁的物理地址. 將該值乘以4, 作為偏移量訪問頁表. 最終, 處理器又從物理地址08001004處取得頁的物理地址, 這就是我們一直努力尋找的那個頁.
頁的物理地址是0x0000c000, 而線性地址的低12位是數(shù)據(jù)所在的頁內(nèi)偏移量. 故處理器將它們相加, 得到物理地址0x0000C050, 這就是線性地址0x00801050所對應的物理地址, 要訪問的數(shù)據(jù)就在這里.
注意, 這種變換不是無緣無故的, 而是事先安排好的. 當任務加載時, 操作系統(tǒng)先創(chuàng)建虛擬的段, 并根據(jù)段地址的高20位決定它要用到哪些頁目錄項和頁表項. 然后, 尋找空閑的頁, 將原本應該寫入段中的數(shù)據(jù)寫到一個或者多個頁中, 并將頁的物理地址填寫到相對應的頁表項中. 只有這樣做了, 當程序運行的時候, 才能以相反的順序進行地址變換, 并找到正確的數(shù)據(jù).
頁目錄項, 頁表項, CR3和打開分頁
頁目錄項和頁表項
頁目錄和頁表中分別存放為頁目錄項和頁表項, 它們的格式如下:
可以看出, 在頁目錄和頁表中, 只保存了頁表或者頁物理地址的高20位. 原因很簡單, 頁表或者頁的物理地址, 都要求必須是4KB對齊的, 以便于放在一個頁內(nèi), 故其低12位全是0. 在這種情況下, 可以只關心其高20位, 低12位安排其他用途.
P 是存在位, 為1時, 表示頁表或者頁位于內(nèi)存中. 否則, 表示頁表或者頁不在內(nèi)存中, 必須先予以創(chuàng)建, 或者從磁盤調(diào)入內(nèi)存后方可使用.
RW 是讀/寫位. 為0時表示這樣的頁只能讀取, 為1時可讀可寫
US 是用戶/管理位. 為1時, 允許所有特權(quán)級別的程序訪問; 為0時, 只允許特權(quán)級別為0, 1和2的程序訪問.
PWT(Page-level Write-Through) 是頁級通寫位, 和高速緩存有關. "通寫"是處理器高速緩存的一種工作方式, 這一位用來間接決定是否采用此種方式來改善頁面的訪問效率.
PCD(Page-level Cache Disable)是頁級高速緩存禁止位, 用來間接決定該表項所指向的那個頁是否使用高速緩存策略.
A 是訪問位. 該位由處理器固件設置, 用來指示此表項所指向的頁是否被訪問過.
D(Dirty) 是臟位. 該位由處理器固件設置, 用來指示此表項所指向的頁是否寫過數(shù)據(jù)
PAT(Page Attribute Table) 頁屬性表支持位. 此位涉及更復雜的分頁系統(tǒng), 和頁高速緩存有關, 可以不予理會, 在普通的4KB分頁機制中, 處理器建議將其置0.
G 是全局位. 用來指示該表項所指向的頁是否為全局性質(zhì)的. 如果頁是全局的, 那么, 它將在高速緩存中一直保存(也就意味著地址轉(zhuǎn)換速度會很快). 因為頁高速緩存容量有限, 只能存放頻繁使用的那些表項. 而且, 當因任務切換等原因改變CR3寄存器的內(nèi)容時, 整個頁高速緩存的內(nèi)容都會被刷新.
AVL位卑處理器忽略, 軟件可以使用.
CR3(PDBR)和開分頁機制
控制寄存器CR3, 也就是頁目錄表基地址寄存器PDBR, 該寄存器如上圖所示.
由于頁目錄表必須位于一個自然頁內(nèi)(4KB對齊), 故其物理地址的低12位是全0. 低12位除了PCD和PWT外, 都沒有使用. 這兩位用于控制頁目錄的高速緩存特性, 參見上面解釋.
控制寄存器CR0的最高位PG位, 用于開啟分頁或者關閉頁功能. 當該位清0時, 頁功能關閉, 從段部件來的線性地址就是物理地址. 當它置位時, 頁功能開啟. 只能在保護模式下才能開啟分頁功能, 當PE位清0時(實模式), 設置PG位將導致處理器產(chǎn)生一個異常中斷.
不存在的頁表：
使用二級表結(jié)構(gòu)，并沒有解決需要使用4MB內(nèi)存來存放頁表的問題。實際上，我們把問題搞得有些復雜了。因為我們需要另增一個頁面來存放目錄表。然而，二級表結(jié)構(gòu)允許頁表被分散在內(nèi)存各個頁面中，而不需要保存在連續(xù)的4MB內(nèi)存塊中。另外，并不需要為不存在的或線性地址空間未使用部分分配二級頁表。雖然目錄表頁面必須總是存在于物理內(nèi)存中，但是二級頁表可以在需要時再分配。這使得頁表結(jié)構(gòu)的大小對應于實際使用的線性地址空間大小。
頁目錄表中每個表項也有一個存在(present)屬性，類似于頁表中的表項。頁目錄表項中的存在屬性指明對應的二級頁表是否存在。如果目錄表項指明對應的二級頁表存在，那么通過訪問二級表，表查找過程第2步將同如上描述繼續(xù)下去。如果存在位表明對應的二級表不存在，那么處理器就會產(chǎn)生一個異常來通知操作系統(tǒng)。頁目錄表項中的存在屬性使得操作系統(tǒng)可以根據(jù)實際使用的線性地址范圍來分配二級頁表頁面。
目錄表項中的存在位還可以用于在虛擬內(nèi)存中存放二級頁表。這意味著在任何時候只有部分二級頁表需要存放在物理內(nèi)存中，而其余的可保存在磁盤上。處于物理內(nèi)存中頁表對應的頁目錄項將被標注為存在，以表明可用它們進行分頁轉(zhuǎn)換。處于磁盤上的頁表對應的頁目錄項將被標注為不存在。由于二級頁表不存在而引發(fā)的異常會通知操作系統(tǒng)把缺少的頁表從磁盤上加載進物理內(nèi)存。把頁表存儲在虛擬內(nèi)存中減少了保存分頁轉(zhuǎn)換表所需要的物理內(nèi)存量。
總結(jié)：給定虛擬地址，怎么找到它對應的物理地址?分兩步!
第一步從虛擬地址到線性地址，第二步從線性地址從物理地址。
第一步從段描述符表描述的段基址加上段偏移生成線性地址。
IA32中線性地址高10位為頁目錄索引，通過此找到頁表，線性地址中間10位為頁表項索引，通過前面找到的頁表加上這個索引，找到頁表項。頁表項指示著頁框號，頁框號加上線性地址低12位(頁內(nèi)偏移)就生成了物理地址。
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