【0】寫在前面（分頁機制）

• 0.0） source code from orange’s implemention of a os and text description from Zhaojiong’s perfect analysis of Linux kernel and for complete code ,please visit https://github.com/pacosonTang/Orange-s-OS/blob/master/p67.asm
• 0.1）本代碼旨在演示 怎樣開啟分頁機制 + 怎樣構(gòu)建頁目錄和頁表
• 0.3）本文 只對 與 分頁機制的 代碼進(jìn)行簡要注釋，言簡意賅；
• 0.4） 為了讓廣大小白（像我一樣對os分頁機制不覺明里的小白）真真切切了解分頁機制，即使這篇文章是轉(zhuǎn)載自 “0.0” 中的兩本，但我還是將本文歸為原創(chuàng)以推薦到博客首頁；（版權(quán)，我已在0.0中聲明了）

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; ========================================== ; pmtest6.asm ; 編譯方法：nasm pmtest6.asm -o pmtest6.com ; ==========================================%include "pm.inc" ; 常量, 宏, 以及一些說明PageDirBase equ 200000h ; 頁目錄開始地址: 2M PageTblBase equ 201000h ; 頁表開始地址: 2M+4Korg 0100hjmp LABEL_BEGIN[SECTION .gdt] ; GDT ; 段基址, 段界限, 屬性 LABEL_GDT: Descriptor 0, 0, 0 ; 空描述符 LABEL_DESC_NORMAL: Descriptor 0, 0ffffh, DA_DRW ; Normal 描述符

; 頁目錄描述符 [add]

LABEL_DESC_PAGE_DIR: Descriptor PageDirBase, 4095, DA_DRW;Page Directory

; 頁表描述符 [add]

LABEL_DESC_PAGE_TBL: Descriptor PageTblBase, 1023, DA_DRW|DA_LIMIT_4K;Page TablesLABEL_DESC_CODE32: Descriptor 0, SegCode32Len-1, DA_C+DA_32 ; 非一致代碼段, 32 LABEL_DESC_CODE16: Descriptor 0, 0ffffh, DA_C ; 非一致代碼段, 16 LABEL_DESC_DATA: Descriptor 0, DataLen-1, DA_DRW ; Data LABEL_DESC_STACK: Descriptor 0, TopOfStack, DA_DRWA + DA_32 ; Stack, 32 位 LABEL_DESC_VIDEO: Descriptor 0B8000h, 0ffffh, DA_DRW ; 顯存首地址 ; GDT 結(jié)束GdtLen equ $ - LABEL_GDT ; GDT長度 GdtPtr dw GdtLen - 1 ; GDT界限dd 0 ; GDT基地址; GDT 選擇子 SelectorNormal equ LABEL_DESC_NORMAL - LABEL_GDT SelectorPageDir equ LABEL_DESC_PAGE_DIR - LABEL_GDT SelectorPageTbl equ LABEL_DESC_PAGE_TBL - LABEL_GDT SelectorCode32 equ LABEL_DESC_CODE32 - LABEL_GDT SelectorCode16 equ LABEL_DESC_CODE16 - LABEL_GDT SelectorData equ LABEL_DESC_DATA - LABEL_GDT SelectorStack equ LABEL_DESC_STACK - LABEL_GDT SelectorVideo equ LABEL_DESC_VIDEO - LABEL_GDT ; END of [SECTION .gdt][SECTION .data1] ; 數(shù)據(jù)段 ALIGN 32 [BITS 32] LABEL_DATA: SPValueInRealMode dw 0 ; 字符串 PMMessage: db "In Protect Mode now. ^-^", 0 ; 進(jìn)入保護(hù)模式后顯示此字符串 OffsetPMMessage equ PMMessage - $$ DataLen equ $ - LABEL_DATA ; END of [SECTION .data1]; 全局堆棧段 [SECTION .gs] ALIGN 32 [BITS 32] LABEL_STACK:times 512 db 0TopOfStack equ $ - LABEL_STACK - 1; END of [SECTION .gs][SECTION .s16] [BITS 16] LABEL_BEGIN:mov ax, csmov ds, axmov es, axmov ss, axmov sp, 0100hmov [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], axmov [SPValueInRealMode], sp; 初始化 16 位代碼段描述符mov ax, csmovzx eax, axshl eax, 4add eax, LABEL_SEG_CODE16mov word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], axshr eax, 16mov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], almov byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah; 初始化 32 位代碼段描述符xor eax, eaxmov ax, csshl eax, 4add eax, LABEL_SEG_CODE32mov word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], axshr eax, 16mov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], almov byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah; 初始化數(shù)據(jù)段描述符xor eax, eaxmov ax, dsshl eax, 4add eax, LABEL_DATAmov word [LABEL_DESC_DATA + 2], axshr eax, 16mov byte [LABEL_DESC_DATA + 4], almov byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah; 初始化堆棧段描述符xor eax, eaxmov ax, dsshl eax, 4add eax, LABEL_STACKmov word [LABEL_DESC_STACK + 2], axshr eax, 16mov byte [LABEL_DESC_STACK + 4], almov byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah; 為加載 GDTR 作準(zhǔn)備xor eax, eaxmov ax, dsshl eax, 4add eax, LABEL_GDT ; eax <- gdt 基地址mov dword [GdtPtr + 2], eax ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址; 加載 GDTRlgdt [GdtPtr]; 關(guān)中斷cli; 打開地址線A20in al, 92hor al, 00000010bout 92h, al; 準(zhǔn)備切換到保護(hù)模式mov eax, cr0or eax, 1mov cr0, eax; 真正進(jìn)入保護(hù)模式j(luò)mp dword SelectorCode32:0 ; 執(zhí)行這一句會把 SelectorCode32 裝入 cs, 并跳轉(zhuǎn)到 Code32Selector:0 處;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;LABEL_REAL_ENTRY: ; 從保護(hù)模式跳回到實模式就到了這里mov ax, csmov ds, axmov es, axmov ss, axmov sp, [SPValueInRealMode]in al, 92h ; ┓and al, 11111101b ; ┣ 關(guān)閉 A20 地址線out 92h, al ; ┛sti ; 開中斷mov ax, 4c00h ; ┓int 21h ; ┛回到 DOS ; END of [SECTION .s16][SECTION .s32]; 32 位代碼段. 由實模式跳入. [BITS 32]LABEL_SEG_CODE32:

; 開啟分頁機制的初始化工作，該指令執(zhí)行后，cpu即可開啟分頁機制[add]

call SetupPagingmov ax, SelectorDatamov ds, ax ; 數(shù)據(jù)段選擇子mov ax, SelectorVideomov gs, ax ; 視頻段選擇子mov ax, SelectorStackmov ss, ax ; 堆棧段選擇子mov esp, TopOfStack; 下面顯示一個字符串mov ah, 0Ch ; 0000: 黑底 1100: 紅字xor esi, esixor edi, edimov esi, OffsetPMMessage ; 源數(shù)據(jù)偏移mov edi, (80 * 10 + 0) * 2 ; 目的數(shù)據(jù)偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。cld .1:lodsbtest al, aljz .2mov [gs:edi], axadd edi, 2jmp .1 .2: ; 顯示完畢; 到此停止jmp SelectorCode16:0

; [add]啟動分頁機制 ————————————————————–

SetupPaging:

; 為簡化處理, 所有線性地址對應(yīng)相等的物理地址.
; 首先初始化頁目錄

mov ax, SelectorPageDir ; 此段首地址為 PageDirBasemov es, axmov ecx, 1024 ; 共 1K 個表項xor edi, edixor eax, eaxmov eax, PageTblBase | PG_P | PG_USU | PG_RWW ; PageTblBase equ 201000h 頁表開始地址: 2M+4K

; 這里是在初始化頁目錄中項的內(nèi)容，即對應(yīng)頁表的內(nèi)存地址

.1: stosd

;stosb, stosw, stosd 把al/ ax/ eax的內(nèi)容存儲到 es:edi 指向的內(nèi)存單元中, 該指令執(zhí)行后，edi自增1

add eax, 4096

; 為了簡化, 所有頁表在內(nèi)存中是連續(xù)的.，每個頁表占用4k字節(jié)空間

loop .1

; 初始化頁目錄的項內(nèi)容 over
; 再初始化所有頁表 (1K 個, 4M 內(nèi)存空間)的項內(nèi)容，即頁表的項存儲的是內(nèi)存地址的高20位地址；

mov ax, SelectorPageTbl ; 此段首地址為 PageTblBasemov es, axmov ecx, 1024 * 1024 ; 共 1M 個頁表項, 也即有 1M 個頁 (因為1k個頁目錄項，每個目錄項映射到1k個頁表項)xor edi, edixor eax, eaxmov eax, PG_P | PG_USU | PG_RWW .2:stosdadd eax, 4096 ; 每一頁指向 4K 的空間loop .2

; 初始化頁表的項內(nèi)容 over

mov eax, PageDirBase

; 加載頁目錄的基地址到 cr3

mov cr3, eax

; 設(shè)置cr0的PG位=1，開啟分頁機制

mov eax, cr0or eax, 80000000hmov cr0, eaxjmp short .3 .3:nopret

; 分頁機制啟動完畢 ———————————————————-

SegCode32Len equ $ - LABEL_SEG_CODE32 ; END of [SECTION .s32]; 16 位代碼段. 由 32 位代碼段跳入, 跳出后到實模式 [SECTION .s16code] ALIGN 32 [BITS 16] LABEL_SEG_CODE16:; 跳回實模式:mov ax, SelectorNormalmov ds, axmov es, axmov fs, axmov gs, axmov ss, axmov eax, cr0and eax, 7FFFFFFEh ; PE=0, PG=0mov cr0, eaxLABEL_GO_BACK_TO_REAL:jmp 0:LABEL_REAL_ENTRY ; 段地址會在程序開始處被設(shè)置成正確的值Code16Len equ $ - LABEL_SEG_CODE16; END of [SECTION .s16code]

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3.3 頁式存儲總結(jié)

分段機制將邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址，線性地址通過分頁機制轉(zhuǎn)換成物理地址。

為什么使用分頁？（干貨）
分頁管理機制的目的在于實現(xiàn)虛擬存儲器，線性地址中的任意一個頁都能映射到物理地址中的任何一個頁，使得內(nèi)存管理機制特別靈活。
分頁和分段的最大不同之處在于？（干貨）

• 1）段的長度不固定： 段的長度通常與存放在其中的代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)具有相同的長度；
• 2）頁面長度固定：頁面具有固定的長度；
• 3）如果僅使用分段地址轉(zhuǎn)換：那么存儲在物理內(nèi)存中的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將包含所有的部分；
• 4）如果使用了分頁，那么一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就可以一部分存儲在物理內(nèi)存中，一部分存儲在磁盤上（虛擬存儲器）；
• 5）為了減少地址轉(zhuǎn)換所要求的總線總起數(shù)量，最近訪問的頁目錄和頁表會被存放在處理器的緩沖器件中，該緩沖器件被稱為TLB（translation lookaside buffer，翻譯后備緩沖寄存器），提高訪存效率；

3.3.1 分頁機制概述

Why-為什么使用兩極頁表結(jié)構(gòu)？

• w1）頁表含有2^20（1M）個表項，每項占4字節(jié)。如果用一個表來存儲的話，將最多占用4M；為減少內(nèi)存占用量，X86使用了兩極頁表；

• w2）每個，僅有一個頁目錄占用4k， 每個頁表占用4k，而要知道頁目錄一定常駐內(nèi)存，而頁表是在需要的時候才占用內(nèi)容空間，當(dāng)然常用的頁表會存儲在TLB中，這在一定程度上減少了
  頁表機制進(jìn)行線性地址與物理地址映射所占用內(nèi)存空間；（干貨）

• 1）第一級頁表——頁目錄（bit31~22)：頁目錄項存儲的內(nèi)容是頁表的基地址（高20位存儲頁表基地址，低12位存儲所指向的頁表屬性）（干貨）; 它被存放在1頁4k頁面中， 含有1k個4字節(jié)長度的表項，通過線性地址的bit31~22進(jìn)行索引頁目錄表項；

• 2）第二級頁表——頁表（bit21~12）：頁表項存儲的內(nèi)容是物理頁的基地址（高20位存儲物理頁基地址，低12位存儲物理頁屬性）（干貨）; 它被存放在1頁4k頁面中，含有1k個4字節(jié)長度的表項，而該頁表的表項由 bit21~12進(jìn)行定位；

• 3）偏移地址（bit11~0）：它存儲的是物理頁的第12位地址（干貨）； 把頁表項存儲的高20位地址作為物理頁的高20位地址，而偏移地址12位作為物理頁的低12位地址，這樣就得到了32位的物理地址；

• 4）映射到的物理地址空間：頁長4k，總共有1k個頁目錄項，每個頁目錄項映射一張頁表，每張頁表有1k個頁表項；故總共1k * 1k =1M個頁表項；所以物理地址空間=1M * 4k = 4G

（you should know）：
Y1）頁目錄的基地址存儲在cr3中；
Y2）開啟分頁機制，要設(shè)置cr0的最高位PG位=1；

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的分页机制总结的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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