第三章 保護(hù)模式的內(nèi)存管理【2】
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? 【作者：lion3875 原創(chuàng)文章 參考文獻(xiàn)《Intel 64 and IA-32 system programming guide》】


??? 3.6 分頁概述

??? 在IA-32架構(gòu)的保護(hù)模式中，處理器要么將線性地址空間直接映射至物理內(nèi)存空間（當(dāng)擁有4GB物理內(nèi)存時），要么間接的映射至較小物理內(nèi)存（低于4GB）或磁盤空間，后一種映射方式通常用于虛擬內(nèi)存管理。

??? 啟用分頁功能后，處理器會將線性地址空間分割成多個固定大小的頁面（如4KB、4MB或2MB），然后將這些頁面映射到物理內(nèi)存或磁盤空間。當(dāng)程序（或任務(wù)）訪問一個邏輯地址時，處理器便會先將其轉(zhuǎn)換為線性地址，然后再利用分頁機(jī)制將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。

??? 如果一個被訪問的頁面沒有在物理內(nèi)存中（而是在磁盤空間），處理器便會產(chǎn)生一個“頁錯誤”異常（#PF），此異常的處理程序會指導(dǎo)操作系統(tǒng)或執(zhí)行體將被訪問的頁面從磁盤空間裝入物理內(nèi)存（也許這時在物理內(nèi)存空間的頁面正在被寫入到磁盤空間）。當(dāng)頁面被裝入物理內(nèi)存后，異常處理程序會正常返回，然后CPU會重新執(zhí)行導(dǎo)致異常發(fā)生那條指令。另外，在頁目錄及頁表中還保存著用于處理器將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的重要信息，以及用于產(chǎn)生頁錯誤異常的重要信息。

??? 與分段不同，分頁是通過多個固定長度的頁面實(shí)現(xiàn)的，而分段則是將代碼區(qū)域的長度與數(shù)據(jù)區(qū)域的長度分開規(guī)劃的。在分段機(jī)制中，一個數(shù)據(jù)塊若需要被裝入物理內(nèi)存，就要一次全部裝入，而分頁機(jī)制則可以將要訪問的數(shù)據(jù)塊的一部份裝入內(nèi)存，另一部份留在磁盤空間。

??? 為了降低地址轉(zhuǎn)換所帶來的總線周期開銷，最近經(jīng)常被訪問的頁目錄及頁表項(xiàng)會被裝入處理器內(nèi)部的一個器件中，即TLB（旁路轉(zhuǎn)換緩沖）。TLB可以滿足當(dāng)前大多數(shù)頁目錄及頁表的讀取操作，無需請求總線周期。只有在一個頁面長時間不被訪問時，才會產(chǎn)生額外的總線周期，因?yàn)門LB中不緩存這些被長時間冷落的頁面。要了解更多關(guān)于TLB的信息，請參見章節(jié)3.12“旁路轉(zhuǎn)換緩沖（TLB）”。


??? 3.6.1 分頁選項(xiàng)

??? 在處理器的控制寄存器中，有三個標(biāo)志用于控制分頁：

• PG（分頁）標(biāo)志 - 位于CR0的bit31（從Intel386開始，IA-32家族便開始支持此選項(xiàng)）。
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• PSE（頁面長度擴(kuò)展）標(biāo)志 - 位于CR4的bit4（將在Pentium處理器中加以介紹）。
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• PAE（物理地址擴(kuò)展）標(biāo)志 - 位于CR4的bit5（將在Pentium Pro處理器中加以介紹）。
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??? PG標(biāo)志用于使能“頁轉(zhuǎn)換”機(jī)制（即分頁機(jī)制），如果處理器的頁轉(zhuǎn)換機(jī)制需要被啟用（如有分頁需求的虛擬內(nèi)存系統(tǒng)，或虛擬8086的多任務(wù)環(huán)境），那么此標(biāo)志就必須被設(shè)置，操作系統(tǒng)或執(zhí)行體通常會在初始化處理器的過程中設(shè)置此標(biāo)志。

??? PSE標(biāo)志用于使能“大號頁面”，如：4-MByte頁面或2-MByte頁面（2-MByte頁面還需要設(shè)置PAE標(biāo)志），若要啟用4-KByte頁面，則需要將PSE清零，要了解更多PSE相關(guān)信息，請參閱章節(jié)3.7.2“線性地址轉(zhuǎn)換（4-MByte頁面）”，章節(jié)3.8.3“使能PAE的線性地址轉(zhuǎn)換（2-MByte頁面）”，及章節(jié)3.9“使用PSE-36分頁機(jī)制的36位物理尋址”。

??? PAE標(biāo)志提供了一種擴(kuò)展物理地址寬度的方法，即MAXPHYADDR。

注意：對于處理器不支持CPUID子命令80000008H的情況，MAXPHYADDR即是36位的，否則將由下面指令來標(biāo)識MAXPHYADDR的位長，即CPUID.80000008H:EAX[bits 7:0]。

??? 這種擴(kuò)展的物理地址只有在分頁被使能的情況下才可以使用，而且還要依賴于一個附加的頁目錄指針表，此表會與頁目錄及頁表配合工作以實(shí)現(xiàn)對FFFFFFFFH以外地址空間的尋訪。要了解更多運(yùn)用PAE標(biāo)志擴(kuò)展物理地址的相關(guān)信息，請參見章節(jié)3.8“使用PAE分頁機(jī)制進(jìn)行36位物理尋址”。

??? 在Intel 64位處理器中使能PAE標(biāo)志，可增強(qiáng)物理尋址范圍（例如支持36位以上的物理尋址），主要應(yīng)用于IA-32e模式的地址轉(zhuǎn)換（參見章節(jié)3.10“IA-32e模式的PAE分頁”），以及增強(qiáng)老式的地址轉(zhuǎn)換能力（參見章節(jié)3.8.1“使用PAE增強(qiáng)老式分頁功能”）。

??? 36位頁長度特性（簡稱PSE-36特性），使得物理尋址范圍也可擴(kuò)展至36位（當(dāng)然也可以是32位），而這些是要靠設(shè)置CR4中的PSE標(biāo)志來完成的。另外，還可以通過CPUID指令來獲悉當(dāng)前PSE-36的物理尋址能力（此時CPUID的操作數(shù)為‘1’，返回值會被保存于EDX的bit17）。要了解更多關(guān)于PSE-36物理地址擴(kuò)展及頁長度擴(kuò)展機(jī)制的信息，請參見章節(jié)3.9“基于PSE-36分頁機(jī)制的36位物理尋址”。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的IA-32系统编程指南 - 第三章 保护模式的内存管理【2】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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