Intel x86 Assembly& Microarchitecture 80386分页

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

示例

高级设计

80386是一个32位处理器，具有32位可寻址存储空间。Paging子系统的设计者注意到，一个4K页面设计以一种非常整洁的方式映射到这32位中-10位，10位和12位：

+-----------+------------+------------+
| Dir index | Page index | Byte index |
+-----------+------------+------------+
 3         2 2          1 1          0  Bit
 1         2 1          2 1          0  number

这意味着字节索引为12位宽，它将索引为4K页。Directory和Page索引是10位，每个索引都映射到1,024个条目的表中-如果这些表项每个都是4字节，则每个表将是4K：也是一个Page！

这就是他们所做的：

  • 每个程序都有自己的目录，即一个包含1,024个页面条目的页面，每个页面条目定义了下一级页面表所在的位置-如果有的话。

  • 如果有的话，该页面表将具有1,024个页面条目，每个页面条目定义了最后一级页面的位置-如果有的话。

  • 如果存在，则该页面可以直接读出其字节。

页面输入

顶级目录和下一页页面表均由1,024个页面条目组成。这些条目中最重要的部分是所索引内容的地址：页面表或实际页面。请注意，此地址不需要完整的32位-由于所有内容都是Page，因此仅高20位是有效的。因此，Page Entry中的其他12位可以用于其他用途：是否甚至存在下一个级别；关于页面是否已被访问或写入的内部管理；甚至是否应该允许写入！

+--------------+----+------+-----+---+---+
| Page Address | OS | Used | Sup | W | P |
+--------------+----+------+-----+---+---+
Page Address = Top 20 bits of Page Table or Page address
OS           = Available for OS use
Used         = Whether this page has been accessed or written to
Sup          = Whether this page is Supervisory - only accessible by the OS
W            = Whether this page is allowed to be Written
P            = Whether this page is even Present

请注意，如果该P位为0，则允许条目的其余部分具有操作系统想要放入的任何内容-例如页面内容在硬盘上的位置！

页面目录基本寄存器（PDBR）

如果每个程序都有其自己的目录，则硬件如何知道从何处开始映射？由于CPU一次仅运行一个程序，因此它只有一个控制寄存器来保存当前程序目录的地址。这是页面目录基本寄存器（CR3）。当操作系统在不同程序之间交换时，它将使用程序PDBR的相关页面目录进行更新。

页面错误

CPU每次访问内存时，都必须将指示的虚拟地址映射到适当的物理地址。这是一个三步过程：

  1. 将地址的高10位索引到所指示的页中，PDBR以获取适当的页表的地址；

  2. 将地址的后10位索引到目录指示的页面中，以获取适当页面的地址；

  3. 索引地址的最后12位以从该页中获取数据。

由于上述步骤1.和2.都使用Page Entries，因此每个Entry都可能表明存在问题：

  • 下一级可以标记为“不存在”；

  • 下一级可以标记为“只读”-操作是写操作；

  • 下一个级别可能被标记为“ Supervisor”-它是访问内存的程序，而不是OS。

当硬件指出了此类问题时，它没有完成访问，而是引发了错误：中断＃14，页面错误。它还用故障发生原因的信息填充某些特定的控制寄存器。是否是主管访问权限；以及是否为写入尝试。

期望操作系统捕获该故障，解码控制寄存器，然后决定要做什么。如果访问无效，则可以终止故障程序。如果是虚拟内存访问，则操作系统应分配一个新页面（可能需要腾出已使用的页面！），并用所需的内容（全零或从磁盘加载回的先前内容）填充它），将新页面映射到适当的页面表中，将其标记为存在，然后继续执行错误指示。这次访问将成功进行，并且程序将在不知道发生任何特殊情况的情况下继续运行（除非需要注意时钟！）

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