一步步编写操作系统 38 一级页表与虚拟地址3
接上，頁是地址空間的計量單位，并不是專屬物理地址或線性地址，只要是4KB的地址空間都可以稱為一頁，所以線性地址的一頁也要對應物理地址的一頁。一頁大小為4KB，這樣一來，4GB地址空間被劃分成4GB/4KB=1M個頁，也就是4GB空間中可以容納1048576個頁，頁表中自然也要有1048576個頁表項，這就是我們要說的一級頁表。一級頁表如圖:
這是一級頁表模型，由于頁大小是4KB，所以頁表項中的物理地址都是4k的整數倍，故用16進制表示的地址，低3位都是0。就拿第3個頁表項來說，其值為0x3000，表示該頁對應的物理地址是0x3000。
可能，您心里一直有個疑問：頁表如何使用呢？也就是如何將線性地址轉換成物理地址呢？
還是用圖5-10幫助理解，滑塊正落到在32位地址的第12位。右邊11~0位用來表示頁的大小，也就是這12位可以做為頁內尋址。左邊31~12位用來表示頁的數量，同樣這20位也用來索引一個頁（索引范圍0~0xfffff），表示第幾個頁，對吧。
其實也可以這樣理解：任意一個地址最終會落到某一個物理頁中。32位地址空間共有1M（1048756）個物理頁，首先要做的是定位到某個具體物理頁，然后給出物理頁內的偏移量就可以訪問到任意1字節的內存啦。所以，用20位二進制就可以表示全部物理頁啦。標準頁都是4KB，12位二進制便可以表達4KB之內的任意地址。
在32位保護模式下任何地址都是用32位二進制表示，包括虛擬地址也是。經以上分析，虛擬地址的高20位可用來定位一個物理頁，低12位可用來在該物理頁內尋址。這是如何實現的呢？物理地址是寫在頁表的頁表項中，段部件輸出的只是線性地址，所以問題就變成了：怎樣用線性地址找到頁表中對應的頁表項。
在此之前，大家要知道兩件事：
剛才說過啦，如何通過線性地址找到其對應的頁表項才是轉換的關鍵。既然頁表是位于內存中，所以只要提供頁表項的物理地址便能夠訪問到頁表項。頁表本身屬于線性表結構，相當于頁表項數組，訪問其中任意頁表項成員，只要知道該表頁項的索引（下標）就夠了。
分析過后，地址轉換過程原理如下：
一個頁表項對應一個頁，所以，用線性地址的高20位做為頁表項的索引，每個頁表項要占用4字節大小，所以這高20位的索引乘以4后才是該頁表項相對于頁表物理地址的字節偏移量。用cr3寄存器中的頁表物理地址加上此偏移量便是該頁表項的物理地址，從該頁表項中得到映射的物理頁地址，然后用線性地址的低12位與該物理頁地址相加，所得的地址之和便是最終要訪問的物理地址。
曾經有同學對地址轉換過程感到迷惑，誤以為啟用分頁后，頁表項地址也是虛擬地址，還需要被轉換，轉換過程無限遞歸下去，這顯然是不對的。
以上所說的轉換步驟多少都有點麻煩，既然地址轉換算法已經是固定的了，何不使其在硬件一級自動完成呢。有道理，所以cpu中集成了專門用來干這項工作的硬件模塊，我們把該模塊稱為頁部件。當程序中給出一個線性地址時，頁部件分析線性地址，按照以上算法，自動在頁表中檢索到物理地址。
總結一下頁部件的工作：用線性地址的高20位在頁表中索引頁表項，用線性地址的低12位與頁表項中的物理地址相加，所求的和便是最終線性地址對應的物理地址。
咱們還是通過例子來理解轉換過程吧。拿mov ax,[0x1234]來說，其地址轉換完整過程如圖：
假設咱們是在平坦模型下工作，不管段選擇子值是多少，其所指向的段基址都是0，指令mov ax,[0x1234]中的0x1234稱為有效地址，它做為“段基址：段內偏移地址”中的段內偏移地址。這樣段基址為0，段內偏移地址為0x1234，經過段部件處理后，輸出的線性地址是0x1234。由于咱們是演示分頁機制，必須假定系統已經打開了分頁機制，所以線性地址0x1234被送入了頁部件。頁部件分析0x1234的高20位，用16進制表示高20位是0x00001。將此項做為頁表項索引，再將該索引乘以4后加上cr3寄存器中頁表的物理地址，這樣便得到索引所指代的頁表項的物理地址，從該物理地址處（頁表項中）讀取所映射的物理頁地址：0x9000。線性地址的低12位是0x234，它做為物理頁的頁內偏移地址與物理頁地址0x9000相加，和為0x9234，這就是線性地址0x1234最終轉換成的物理地址。
一級頁表說了這么多，完全是為了講述頁表原理，這樣就能更好的理解下面要講的二級頁表，它們在原理上一脈相承。因為目前現代操作系統一般都是用二級頁表，咱們的系統也采用二級頁表，下一節咱們再見啦。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的一步步编写操作系统 38 一级页表与虚拟地址3的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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