临时内核页表的建立过程

Motivation：当内核被解压到线性地址0x100000后，为了继续启动内核，即启动内核的第一个swapper进程，内核需要建立一张临时页表供其使用。

当内核从16位的实模式进入保护模式（通过在汇编代码中的setup函数中设置linux的cr0寄存器的PE位），内核要创建一个有限的地址空间，容纳内核的代码段、数据段、初始页表和用于存放动态数据结构的128KB大小的空间。程序设计者假定，内核使用的代码段、数据段、临时页表和128KB的内存范围可以全部存放到RAM的前8MB的空间内。于是我们需要做的工作就是建立一个页表映射使得可以对内存的前8MB的物理地址进行寻址。

进程的线性地址空间可分为两部分：
0x00000000~0xbfffffff (0~3G),无论进程运行于用户态还是内核态都可以访问的地址空间
0xc0000000~0xffffffff (3G~4G),只有处于内核态的进程才能访问该地址空间。

为了保证在实模式和保护模式下，进程都可以对这8MB的空间进行寻址，内核必须建立两个映射。将0x00000000~0x007fffff的线性地址和0xc0000000~0xc07fffff的线性地址都映射到0x00000000~的物理地址空间中。此时便可以通过与物理地址相同的线性地址或是通过从0xc0000000开始的8MB线性地址对RAM的前8MB进行寻址。

建立内核临时页表
采用二级页表的形式建立临时映射。由于要映射8MB的内核空间，一个页表有1024项，每一项页表对应一个4KB的页，8MB=2*1024*4KB，故需要两个全局页目录项和两张页表。

建立页全局目录项
一张页全局目录表有1024项，但我们只需要寻址8MB的地址空间，所以只需要2个页全局目录项即可。由于我们要同时保证进程处于用户空间和内核空间下都能对这8MB的内存空间进行寻址，所有我们需要4个页全局目录项分别寻址8MB的用户空间和8MB的内核空间。

要建立页全局目录表，首先要知道页全局目录表存放的物理地址，其中变量swapper_pg_dir存放了页全局目录的线性地址。我们可以通过swapper_pg_dir - PAGE_OFFSET计算可以获得的swapper_pg_dir的物理地址（其中PAGE_OFFSET = 0xc0000000是内核线性空间的起始地址）

知道了临时页全局目录的地址之后，下面便可以初始化临时页全局目录：

ENTRY(swapper_pg_dir)    .fill 1024,4,0

这两行汇编代码执行了页全局目录表的初始化，它的意思是：从swapper_pg_dir开始，填充1024项，每一项为4字节，值为0，正好是4KB的页面

下面要对页全局目录进一步初始化，从而保证对页表的映射
为了保证进程处于用户态和内核态下都能对8MB的物理地址进行寻址，内核需要填充全局页目录表(swapper_pg_dir)的第0、1、0x300(十进制768)、0x301(十进制769)(768和769是通过计算内核线性地址空间对应的页目录偏移量获得的，具体的计算方法请参见补充内容)项。前两项是给用户空间线性地址映射，后两项是给内核空间线性地址映射。内核会将swapper_gp_dir的第0项和第768项字段设置为pg0的物理地址(pg0中存放第一张页表的地址),第1项和第769项字段设置为pg1的物理地址(pg0+4K)。

页表的建立
要映射8MB的物理地址，8MB = 2*1024*4KB，所以要对应2048个页框，建立页表只需要从0x00000000开始，每一项间隔4KB，即：
0x0000, 0x1000, 0x2000, ....
...
0x7ff000

内核中实现页表建立的代码如下：

page_pde_offset = (__PAGE_OFFSET >> 20);    movl $pa(pg0), %edi    movl $pa(swapper_pg_dir), %edx    movl $PTE_ATTR, %eax10:    leal PDE_ATTR(%edi),%ecx        /* Create PDE entry */    movl %ecx,(%edx)            /* Store identity PDE entry */    movl %ecx,page_pde_offset(%edx)     /* Store kernel PDE entry */    addl $4,%edx    movl $1024, %ecx11:    stosl    addl $0x1000,%eax    loop 11b    /*     * End condition: we must map up to and including INIT_MAP_BEYOND_END     * bytes beyond the end of our own page tables; the +0x007 is     * the attribute bits     */    leal (INIT_MAP_BEYOND_END+PTE_ATTR)(%edi),%ebp    cmpl %ebp,%eax    jb 10b    movl %edi,pa(init_pg_tables_end)    /* Do early initialization of the fixmap area */    movl $pa(swapper_pg_fixmap)+PDE_ATTR,%eax    movl %eax,pa(swapper_pg_dir+0xffc)

大致意思是从0开始，把连续的线性地址映射到物理地址。0x007正好表示PRESENT+RW+USER（在内存中，可读写，用户页面，这样在用户态和内核 态都可读写）。由于每个页表项有32位，但其实只需保存物理地址的高20位 就够了，所以剩下的低12位可以用来表示页的属性。

结束条件:从代码中可知，当映射到当前所操作的页表项往下INIT_MAP_BEYOND_END（128K）处映射结束。

建立页表的示意图如下：

页全局目录表和页表建成之后如下图所示:

开启页面映射之后就可以引用内核的变量，但是还不能启动start_kernel，因为要启动swapper进程还需要设置内核堆栈

    lss stack_start,%esp    //然后设置中断向量表    call setup_idt    检查CPU类型    载入gdt(原来的gdt是临时的)和ldt    lgdt cpu_gdt_descr    lidt idt_descr    最后，调用start_kernel    call start_kernel    至此启动start_kernel函数

补充：页全局目录表映射图

    |------------|    |            | 0x3FF (1023)    |            |    |            |                        <----> 对应128MB虚拟内存    |            |    |            | 0x3EO (992)    |------------|----------------------------    |            |    |            |    |            |    |            |    |            |                        <----> 对应896MB虚拟内存    |            |    |            |    |            | 0x301 (769) pg1 --> 5~8MB    |            | 0x300 (768) pg0 --> 1~4MB    |------------|----------------------------    |            |    |            |    |            |    |            |    |            |    |            |    |            |    |     .      |    |     .      |    |     .      |    |     .      |                        <----> 对应3GB虚拟内存    |            |    |            |    |            |    |            |    |            |    |            |    |            | 1    pg1 --> 5~8MB    |            | 0    pg0 --> 1~4MB+-->|------------||

1023 - 768 = 255
256个主内核页全局目录项，一个目录项可以管理4MB物理内存，所以理论上256个目录项可以管理1GB物理内存(映射1GB的线性地址 -- 1GB的线性地址可以映射大于1GB的物理地址，这就需要借助128MB特殊映射);

1023 - 992 = 31
256个主内核页全局目录项中的最高32个目录项(128MB)用作特殊映射，所以主内核全局目录项可以直接映射的线性地址空间为1GB - 128MB = 896MB;

页全局目录放在swapper_pg_dir变量中:pgd_t swapper_pg_dir[1024];

线性地址:0xC000 0000的高20位为1100000000(2)=768