MIT6.828 虚拟地址转化为物理地址——二级分页

这个分页，主要是在mit6.828的lab2的背景下来说的。

Mit6.828 Lab2:http://pdos.csail.mit.edu/6.828/2014/labs/lab2/

lab2主要讲虚拟内存->物理内存的变换，通过一定的函数来实现软件MMU的部分。

整个地址转化的过程如下图所示：

首先，明确一点，在程序里面的所有地址，都是虚拟地址，程序里面是不会出现物理地址的，就算是物理地址，CPU也会把它当做虚拟地址，通过MMU转化为物理地址。

通过上面的图，可以知道，在系统中，CPU得到一个虚拟地址，这个虚拟地址是logical address，通过分段翻译后，会得到一个线性地址(linear address),线性地址通过分页翻译后，就可以得到物理地址了。

在lab2里，分段机制基本就没有，所以可以直接认为cpu得到的虚拟地址就是线性地址，只需要经过page translation 就可以得到物理地址了。下面，就来讲一下系统分页的详细过程。

如下图所示，就是线性地址通过page director  和 page table转化成物理地址的过程：

这张图是从虚拟地址来的，所以包含了分段的过程。其实，分段过程也比较简单，以C程序举例，在C中，所有的指针，它的值是一个偏移量，这个偏移量要加上段基址，得到一个线性地址。而前面的偏移量+段基址的过程，就是分段的过程。

在一个程序中，一般分为堆，栈，代码段，数据段(.date和.bss等)，而指针的值，就是相应的段上的偏移量，如一个指针指向的是一个全局变量，则它的线性地址位P+.date的基址。这个过程就是分段。在lab2里面，分段基址好像暂时没怎么涉及，所以暂且不管它。好像想在操作系统多是分页，分段应该不多了。分段和分页主要的区别就是分页的页框是固定大小的，不变的。而分段，每一段的大小都是不定的。分段有利于程序的编译。这一块还要在看看书，还是有点不了解。

分页：

在lab2中，主要就是分页的各种东西。在jos系统里面，采用二级页表的分页形式。即分为page directory 和 page table两级页表。

二级页表好处：在32位系统中，理论上来说，每个进程都拥有独立的地址空间，其大小是2^32=4G,如果采用一级页表，则以4K的页框大小为例，要分配2^20个页面来给程序使用，每个页面占4字节，则光地址转换的页面就需要4*2^20=4M大小(page table的大小)了。这对于以前比较小的内存来说，是非常的大的。虽然现在内存都有几个G，但是如果64位操作系统也用一级页表分页的话，内存塞满了都放不下转换页……。

对于大多数的程序，我并不需要使用4G的内存空间，比如编写一个非常简单的排序程序，如果数据量不是很大的话，应该总共加起来连1M的内存都用不到，这样，总共实际用到的页面就只有2^8=256个页面，占的内存只有256*4=1024=1k，剩下的大部分存这的转换部分的内存都是没用的，这就表明了一级页表的空间利用率其实是非常低的，存在着大量的浪费。

所以，要使用二级页表来进行分页。二级页表实在一级页表的基础上进一步转化而来。以32位系统为例，假设页面大小位4K，一级页表是把低位的12位作为页内偏移，高位的20位作为页索引。而二级页表，把低位的12位作为页内偏移，高位的10位作为page directory(PDE)的索引，中间的的10位作为page table(PTE)。所以，以上面那个排序程序为例，如果他只用到了部分的页面，根据程序页面的局部性原理，这些页面会集中在某几个”块“内，所以对于第一级的PDE来说，这些页面都会集中在少数的几个PDE中，只需要为那几个映射到的PDE创建相应的二级页表(即PTE)，而其他没有被映射到的PDE都不用创建对应的二级页表，这样，相对于一级页表的创建所有的页面映射，二级页表只创建相应的页面映射，虽然也会有所浪费，当相对来说还是节省了大量的内存空间。

二级页表分页过程：

二级页表分页过程比较简单，首先，PDE的入口地址存储在CR3寄存器中，读取CR3寄存器的高位(20位)，低12位根据线性地址的高10位得到(由于32位系统中，地址占4字节，所以每一个页表占4字节，和数组是同理：int a[10]; a[1]的地址是a[0]+4而不是+1,所以2^10个页表需要12位地址)。

通过上述过程得到的PDE，取出存在PDE中的PTE的地址，将PTE的低12位清零，然后中间10位作为索引，得到相应的物理地址的基址，最后通过低12位相加，得到对应的物理地址。转换过程不涉及很难的地方，比较简单。

这里说一下CR3，CR3保存PDE的地址，所以在进程切换之后，只需要改变CR3中的值，就可以直接切换进程的地址空间，非常的方便。

而上面的PWT表示是否采用回写策略，若PWT置位，则表示采用通写策略，即写缓存数据的同时，必须写外存。PWT=0表示回写，即写缓存数据，不必改变外存，等到缓存页面被置换，在写外存。

PCD表示是否开启缓存页。PCD=1表示禁用缓存页。PCD=0，表示启用缓存页。这个主要是因为有些页面对应的I/O端口需要实时采集数据，不能缓存数据，因为缓存的数据和实时数据有差别，所以需要禁用缓存页。这个在嵌入式里面应该出现的比较多。

最后一点，这些过程为了保证快速性，全部都是由硬件完成的，而在CR3寄存器，PDE，PGE中存储的地址，都是物理地址，而不是相对应的虚拟地址。