認(rèn)真閱讀章節(jié)資料，掌握什么是分頁(yè)機(jī)制

調(diào)試代碼，掌握分頁(yè)機(jī)制基本方法與思路

• 代碼pmtest6.asm中，212行~237行，設(shè)置斷點(diǎn)調(diào)試這幾個(gè)循環(huán)，分析究竟在這里做了什么

掌握PDE，PTE的計(jì)算方法

• 動(dòng)手畫(huà)一畫(huà)這個(gè)映射圖
• 為什么代碼3.22里面，PDE初始化添加了一個(gè)PageTblBase(Line 212)，而PTE初始化時(shí)候沒(méi)有類(lèi)似的基地址呢（Line224）？

熟悉如何獲取當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)存布局的方法

掌握內(nèi)存地址映射關(guān)系的切換

• 畫(huà)出流程圖

基礎(chǔ)題：依據(jù)實(shí)驗(yàn)的代碼，

• 自定義一個(gè)函數(shù)，給定一個(gè)虛擬地址，能夠返回該地址從虛擬地址到物理地址的計(jì)算過(guò)程，如果該地址不存在，則返回一個(gè)錯(cuò)誤提示。
• 完善分頁(yè)管理功能，補(bǔ)充alloc_pages, free_pages兩個(gè)函數(shù)功能，試試你能一次分配的最大空間有多大，如果超出了有什么辦法解決呢？

進(jìn)階題（選做）

• 設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)存管理器，選擇其一實(shí)現(xiàn)：首次適應(yīng)算法、最佳適應(yīng)算法、伙伴算法，要求實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的分配與回收。（提示，均按照頁(yè)為最小單位進(jìn)行分配、對(duì)于空閑空間管理可采用位圖法或者雙向鏈表法管理）

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什么是分頁(yè)機(jī)制

分頁(yè)機(jī)制就是通過(guò)頁(yè)目錄和頁(yè)表將物理地址與線(xiàn)性地址進(jìn)行映射

頁(yè)就是指一塊內(nèi)存，一般來(lái)說(shuō)大小在4 KB。

分頁(yè)機(jī)制使進(jìn)程運(yùn)行在線(xiàn)性地址上，不必關(guān)注物理地址的情況，提供了虛擬內(nèi)存和隔離機(jī)制，是內(nèi)存的調(diào)度完全由操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)。

分頁(yè)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的基本方法

分頁(yè)機(jī)制使用二級(jí)頁(yè)表實(shí)現(xiàn)

第一級(jí)叫頁(yè)目錄：大小4 KB，共1024表項(xiàng)（PDE），表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)二級(jí)頁(yè)表

第二級(jí)頁(yè)表：1024個(gè)表項(xiàng)（PTE），每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)物理頁(yè)

線(xiàn)性地址轉(zhuǎn)換時(shí)，

• 寄存器cr3指定頁(yè)目錄
• 線(xiàn)性地址高十位為頁(yè)目錄索引
• 線(xiàn)性地址第二個(gè)十位為二級(jí)頁(yè)表索引

注：PDE，PTE，cr3寄存器都由高二十位進(jìn)行尋址，這是因?yàn)轫?yè)表地址都是4 KB對(duì)齊的。

分頁(yè)機(jī)制的標(biāo)志

cr0寄存器 的 最高位 PG位，PG位為1表示分頁(yè)機(jī)制生效

調(diào)試 pmtest6.asm

212行----237行

分析：

.1 部分是在初始化目錄頁(yè)，大小為4096，將目錄頁(yè)首地址存在目錄頁(yè)的第一個(gè)表項(xiàng)中

.2部分實(shí)在初始化其他頁(yè)表，一共1024個(gè)頁(yè)表，需要1024 x 1024。

.3預(yù)備階段將目錄頁(yè)基地址賦給cr3，將cr0的PG位置1，啟動(dòng)分頁(yè)機(jī)制。

magic break斷點(diǎn)調(diào)試

PDE和PTE的計(jì)算方法

映射圖

為什么PDE添加了基地址，PTE不添加基地址

???不清楚，可能PDE是指向頁(yè)表的映射，而頁(yè)目錄本身也是一個(gè)頁(yè)表。PTE是指向物理頁(yè)的映射，所以不存自己頁(yè)表的地址。

也可能cr3不存頁(yè)目錄基地址，只能頁(yè)目錄自己來(lái)存，而PTE所在頁(yè)表的基地址在頁(yè)目錄中存放，不需要自己額外存。

如何獲取當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)存布局

使用中斷15 h

參數(shù)：

eax：獲取內(nèi)存信息，ax賦值0E820h

ebx：放置著“后續(xù)值continuation value”第一次調(diào)用時(shí)ebx必須為0。

es : di :指向一個(gè)地址范圍描述符結(jié)構(gòu)ARDS (Address Range Descriptor Structure)， BIOS將會(huì)填充此結(jié)構(gòu)。

ecx : es : di所指向的地址范圍描述符結(jié)構(gòu)的大小以字節(jié)為單位。無(wú)論es: di所指向的結(jié)構(gòu)如何設(shè)置BIOS最多將會(huì)填充ecx個(gè)字節(jié)。不過(guò)通常情況下無(wú)論ecx為多大BIOS只填充20字節(jié)有些BIOS忽略ecx的值總是填充20字節(jié)。

edx ：0534D4150h（'SMAP'）──BIOS將會(huì)使用此標(biāo)志對(duì)調(diào)用者將要請(qǐng)求的系統(tǒng)映像信息進(jìn)行校驗(yàn)這些信息會(huì)被BIOS放置到es :di所指向的結(jié)構(gòu)中。

結(jié)果：

CF ：CF = 0表示沒(méi)有錯(cuò)誤

eax ：0534D4150h（'SMAP'）

es: di ：返回的地址范圍描述符結(jié)構(gòu)指針，與輸入值相同

ecx ：BIOS填充在地址范圍描述符中的字節(jié)數(shù)量，一般是20字節(jié)

ebx ： 下次迭代時(shí)原封不動(dòng)放入ebx，就可以通過(guò)它獲取下一個(gè)地址范圍描述符，如果ebx值為0，且CF沒(méi)有進(jìn)位，表示是最后一個(gè)地址描述符

地址描述符結(jié)構(gòu)（ARDS）20個(gè)字節(jié)

注：調(diào)用int 15 h時(shí)返回的地址描述符需要存放在一個(gè)緩沖區(qū)中，我們要事先定義一個(gè)緩沖區(qū)

pmtest7.asm分析

定義256字節(jié)的緩沖區(qū)，es: di指向緩沖區(qū)

CF被置位或ebx為0，循環(huán)結(jié)束。

di每次增20字節(jié)，存一個(gè)描述符

內(nèi)存地址映射關(guān)系的切換

6.1 線(xiàn)性地址到物理地址

代碼如下：

; 顯示地址計(jì)算過(guò)程并進(jìn)行檢查 -----------------------------------------
AddressCheck:mov ax, SelectorFlatRWmov ss, axmov eax, LinearAddrDemoshr eax, 22mov ecx, eaxshl ecx, 2add ecx, PageDirBase1mov eax, ss:[ecx]mov ebx, eaxpush ecxcall DispIntpop ecxshr ebx, 12shl ebx, 12push ebxcall DispIntpop ebxmov eax, LinearAddrDemoshl eax, 10shr eax, 22mov ecx, eaxshl ecx, 2add ebx, ecxmov eax, ss:[ebx]shr eax, 12shl eax, 12push eaxcall DispIntpush ProcBarcall DispIntret

效果展示：

6.2 分頁(yè)管理功能完善

alloc_pages的實(shí)現(xiàn)

alloc_pages用于連續(xù)物理內(nèi)存的分配： struct?page *alloc_pages(gft_t gfp, unsigned?int?order) alloc_pages函數(shù)用于分配2^order個(gè)?連續(xù)?的物理頁(yè)。分配失敗返回NULL。

free_pages的實(shí)現(xiàn)

void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order) 功能:釋放邏輯地址addr開(kāi)始的頁(yè)面2^order次方個(gè)
addr: 頁(yè)面開(kāi)始的邏輯地址
order: 釋放頁(yè)面的個(gè)數(shù)2^order個(gè)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

1. 分頁(yè)和分段有何區(qū)別？在本次實(shí)驗(yàn)中，段頁(yè)機(jī)制是怎么搭配工作 的？
2. PDE、PTE是什么？例程中如何進(jìn)行初始化？CPU是怎樣訪(fǎng)問(wèn) 到PDE、PTE，從而計(jì)算出物理地址的？
3. 開(kāi)啟分頁(yè)機(jī)制之后，在GDT表中、在PDE、PTE中存的地址是物理地址、線(xiàn)性地址，還是邏輯地址，為什么？
4. 為什么PageTblBase初始值為2M+4K？能不能比這個(gè)值小？
5. 怎么讀取本機(jī)的實(shí)際物理內(nèi)存信息？
6. 如何進(jìn)行地址映射與切換？
7. 如何實(shí)現(xiàn)alloc_pages, free_pages

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1.分頁(yè)和分段有何區(qū)別？在本次實(shí)驗(yàn)中，段頁(yè)機(jī)制是怎么搭配工作的？

區(qū)別在于：1、從功能上看，頁(yè)是信息的物理單位，分頁(yè)是為實(shí)現(xiàn)離散分配方式，以消減內(nèi)存的外碎片，提高內(nèi)存的利用率，即滿(mǎn)足系統(tǒng)管理的需要，而不是用戶(hù)的需要；而段是信息的邏輯單位，它含有一組其意義相對(duì)完整的信息，目的是為了能更好地滿(mǎn)足用戶(hù)的需要。2、頁(yè)的大小固定且由系統(tǒng)確定，而段的長(zhǎng)度卻不固定，決定于用戶(hù)所編寫(xiě)的程序。3、分頁(yè)的作業(yè)地址空間是一維的，而分段的作業(yè)地址空間是二維的。

在本次實(shí)驗(yàn)中，未打開(kāi)分頁(yè)機(jī)制時(shí)，線(xiàn)性地址等同于物理地址，即邏輯地址通過(guò)分段機(jī)制直接轉(zhuǎn)化為物理地址（由SEG找到對(duì)應(yīng)Descriptor定義的段+OFFSET）；啟動(dòng)了分頁(yè)機(jī)制后，要先通過(guò)分段機(jī)制將邏輯地址轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性地址，在通過(guò)分頁(yè)機(jī)制將線(xiàn)性地址轉(zhuǎn)化為物理地址。首先，將頁(yè)目錄的段首地址設(shè)置為PageDirBase，再將頁(yè)表的段首地址設(shè)置為PageTblBase，在頁(yè)目錄中每個(gè)表項(xiàng)都指向一個(gè)頁(yè)表，而每個(gè)頁(yè)表的表項(xiàng)都指向一個(gè)物理地址，從而實(shí)現(xiàn)了從線(xiàn)性地址到物理地址的映射以及離散分配。

2. PDE、PTE，是什么？例程中如何進(jìn)行初始化？CPU是怎樣訪(fǎng)問(wèn)到PDE、PTE，從而計(jì)算出物理地址的？

PDE（Page Directory Entry）是頁(yè)目錄表的表項(xiàng)，PTE（Page Table Entry）是頁(yè)表的表項(xiàng)。例程中初始化的方式是通過(guò)循環(huán)將每一個(gè)PDE初始化成存在的可讀可寫(xiě)可執(zhí)行的用戶(hù)級(jí)別頁(yè)表，其中第一個(gè)PDE對(duì)應(yīng)的頁(yè)表首地址是PageDirBase。類(lèi)似的，頁(yè)表中每個(gè)PTE都被初始化為可讀可寫(xiě)可執(zhí)行的用戶(hù)級(jí)別頁(yè)表，其中第一個(gè)頁(yè)表的首地址是PageTblBase。CPU首先根據(jù)分段機(jī)制，找到描述符所對(duì)應(yīng)的段并加上偏移得到線(xiàn)性地址，得到線(xiàn)性地址之后，CPU會(huì)借助cr3在指定的目錄頁(yè)中根據(jù)線(xiàn)性地址的高十位得到頁(yè)表地址，然后再根據(jù)線(xiàn)性地址的第二十一位到第十二位在頁(yè)表中得到物理頁(yè)首地址，最后加上第十二位偏移，從而計(jì)算出物理地址。

3. 開(kāi)啟分頁(yè)機(jī)制之后，在GDT表中、在PDE、PTE中存的地址是物理地址、線(xiàn)性地址，還是邏輯地址，為什么？

在查詢(xún)GDT表后得到線(xiàn)性地址，首先通過(guò)選擇子確定對(duì)應(yīng)描述符是GDT表中的第幾項(xiàng)，然后取出段首地址加上邏輯地址的偏移，最終得到線(xiàn)性地址。PDE和PTE存放的都是物理地址，分別指向頁(yè)表和真實(shí)地址。

4. 為什么PageTblBase初始值為2M+4K？能不能比這個(gè)值小？

因?yàn)樵O(shè)置頁(yè)目錄表起始位置為2M，而頁(yè)目錄表占4K，且頁(yè)目錄表與頁(yè)表在內(nèi)存中相鄰，所以是2M+4K。在保證尋址大小為4G不變的情況下減小初始值，可以選擇前移頁(yè)目錄表的起始位置。

5. 怎么讀取本機(jī)的實(shí)際物理內(nèi)存信息

利用中斷15h，后循環(huán)讀取ARDS結(jié)構(gòu)。先填充如下寄存器：eax int 15h可完成許多工作，主要由ax的值決定，要獲取內(nèi)存信息，需要將ax賦值為0E820h，ebx寄存器放置著后續(xù)值，第一次調(diào)用時(shí)ebx必須為0。es: di 指向一個(gè)地址范圍描述符結(jié)構(gòu)ARDS，而B(niǎo)IOS將會(huì)填充此結(jié)構(gòu)。ecx，es:di所指向的地址范圍描述符結(jié)構(gòu)的大小，以字節(jié)為單位。無(wú)論es:di所指向的結(jié)構(gòu)如何設(shè)置，BIOS最多將會(huì)填充ecx個(gè)字節(jié)。edx 0534D4150h（'SMAP'）──BIOS將會(huì)使用此標(biāo)志，對(duì)調(diào)用者將要請(qǐng)求的系統(tǒng)映像信息進(jìn)行校驗(yàn)，這些信息會(huì)被 BIOS放置到es:di所指向的結(jié)構(gòu)中。

中斷調(diào)用之后，結(jié)果存放于下列寄存器之中。CF CF=0表示沒(méi)有錯(cuò)誤，否則存在錯(cuò)誤。eax 0534D4150h（'SMAP'）。es: di 返回的地址范圍描述符結(jié)構(gòu)指針，和輸入值相同。ecx BIOS填充在地址范圍描述符中的字節(jié)數(shù)量，被BIOS所返回的最小值是20字節(jié)。ebx 這里放置著為等到下一個(gè)地址描述符所需要的后續(xù)值，如果 它的值為0，并且CF沒(méi)有進(jìn)位，表示它是最后一個(gè)地址范圍描述符。

6. 如何進(jìn)行地址映射與切換

通過(guò)改變cr3來(lái)轉(zhuǎn)換地址映射。改變cr3從而切換頁(yè)目錄表，從而切換頁(yè)表，從而使得同一個(gè)線(xiàn)性地址映射到不同的物理地址。

7. 如何實(shí)現(xiàn)alloc_pages,free_pages

alloc_pages的實(shí)現(xiàn)

alloc_pages用于連續(xù)物理內(nèi)存的分配： struct?page *alloc_pages(gft_t gfp, unsigned?int?order) alloc_pages函數(shù)用于分配2^order個(gè)?連續(xù)?的物理頁(yè)。分配失敗返回NULL。

free_pages的實(shí)現(xiàn)

void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order) 功能:釋放邏輯地址addr開(kāi)始的頁(yè)面2^order次方個(gè)
addr: 頁(yè)面開(kāi)始的邏輯地址
order: 釋放頁(yè)面的個(gè)數(shù)2^order個(gè)