分页机制总结

【0】写在前面（分页机制）

• 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）本代码旨在演示 怎样开启分页机制 + 怎样构建页目录和页表
• 0.3）本文 只对 与 分页机制的 代码进行简要注释，言简意赅；
• 0.4） 为了让广大小白（像我一样对os分页机制不觉明里的小白）真真切切了解分页机制，即使这篇文章是转载自 “0.0” 中的两本，但我还是将本文归为原创以推荐到博客首页；（版权，我已在0.0中声明了）

---

; ==========================================; pmtest6.asm; 编译方法：nasm pmtest6.asm -o pmtest6.com; ==========================================%include    "pm.inc"    ; 常量, 宏, 以及一些说明PageDirBase  equ    200000h ; 页目录开始地址: 2MPageTblBase  equ    201000h ; 页表开始地址: 2M+4Korg 0100h jmp    LABEL_BEGIN[SECTION .gdt]; GDT;                            段基址,       段界限, 属性LABEL_GDT:           Descriptor 0,              0, 0     ; 空描述符LABEL_DESC_NORMAL:   Descriptor 0,         0ffffh, DA_DRW    ; Normal 描述符

; 页目录描述符 [add]

LABEL_DESC_PAGE_DIR: Descriptor PageDirBase, 4095, DA_DRW;Page Directory

; 页表描述符 [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    ; 非一致代码段, 32LABEL_DESC_CODE16:   Descriptor 0,         0ffffh, DA_C  ; 非一致代码段, 16LABEL_DESC_DATA:     Descriptor 0,      DataLen-1, DA_DRW    ; DataLABEL_DESC_STACK:    Descriptor 0,     TopOfStack, DA_DRWA + DA_32  ; Stack, 32 位LABEL_DESC_VIDEO:    Descriptor 0B8000h,   0ffffh, DA_DRW    ; 显存首地址; GDT 结束GdtLen   equ    $ - LABEL_GDT  ; GDT长度GdtPtr   dw GdtLen - 1  ; GDT界限  dd    0    ; GDT基地址; GDT 选择子SelectorNormal   equ    LABEL_DESC_NORMAL   - LABEL_GDTSelectorPageDir  equ    LABEL_DESC_PAGE_DIR - LABEL_GDTSelectorPageTbl  equ    LABEL_DESC_PAGE_TBL - LABEL_GDTSelectorCode32   equ    LABEL_DESC_CODE32   - LABEL_GDTSelectorCode16   equ    LABEL_DESC_CODE16   - LABEL_GDTSelectorData     equ    LABEL_DESC_DATA  - LABEL_GDTSelectorStack    equ    LABEL_DESC_STACK    - LABEL_GDTSelectorVideo    equ    LABEL_DESC_VIDEO    - LABEL_GDT; END of [SECTION .gdt][SECTION .data1]     ; 数据段ALIGN   32[BITS   32]LABEL_DATA:SPValueInRealMode   dw  0; 字符串PMMessage:   db "In Protect Mode now. ^-^", 0   ; 进入保护模式后显示此字符串OffsetPMMessage  equ    PMMessage - $$DataLen  equ    $ - LABEL_DATA; END of [SECTION .data1]; 全局堆栈段[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, cs mov    ds, ax mov    es, ax mov    ss, ax mov    sp, 0100h mov    [LABEL_GO_BACK_TO_REAL+3], ax mov    [SPValueInRealMode], sp ; 初始化 16 位代码段描述符 mov    ax, cs movzx  eax, ax shl    eax, 4 add    eax, LABEL_SEG_CODE16 mov    word [LABEL_DESC_CODE16 + 2], ax shr    eax, 16 mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 4], al mov    byte [LABEL_DESC_CODE16 + 7], ah ; 初始化 32 位代码段描述符 xor    eax, eax mov    ax, cs shl    eax, 4 add    eax, LABEL_SEG_CODE32 mov    word [LABEL_DESC_CODE32 + 2], ax shr    eax, 16 mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 4], al mov    byte [LABEL_DESC_CODE32 + 7], ah ; 初始化数据段描述符 xor    eax, eax mov    ax, ds shl    eax, 4 add    eax, LABEL_DATA mov    word [LABEL_DESC_DATA + 2], ax shr    eax, 16 mov    byte [LABEL_DESC_DATA + 4], al mov    byte [LABEL_DESC_DATA + 7], ah ; 初始化堆栈段描述符 xor    eax, eax mov    ax, ds shl    eax, 4 add    eax, LABEL_STACK mov    word [LABEL_DESC_STACK + 2], ax shr    eax, 16 mov    byte [LABEL_DESC_STACK + 4], al mov    byte [LABEL_DESC_STACK + 7], ah ; 为加载 GDTR 作准备 xor    eax, eax mov    ax, ds shl    eax, 4 add    eax, LABEL_GDT   ; eax <- gdt 基地址 mov    dword [GdtPtr + 2], eax ; [GdtPtr + 2] <- gdt 基地址 ; 加载 GDTR lgdt   [GdtPtr] ; 关中断 cli ; 打开地址线A20 in al, 92h or al, 00000010b out    92h, al ; 准备切换到保护模式 mov    eax, cr0 or eax, 1 mov    cr0, eax ; 真正进入保护模式 jmp    dword SelectorCode32:0  ; 执行这一句会把 SelectorCode32 装入 cs, 并跳转到 Code32Selector:0  处;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;LABEL_REAL_ENTRY:    ; 从保护模式跳回到实模式就到了这里 mov    ax, cs mov    ds, ax mov    es, ax mov    ss, ax mov    sp, [SPValueInRealMode] in al, 92h  ; ┓ and    al, 11111101b   ; ┣ 关闭 A20 地址线 out    92h, al  ; ┛ sti     ; 开中断 mov    ax, 4c00h   ; ┓ int    21h  ; ┛回到 DOS; END of [SECTION .s16][SECTION .s32]; 32 位代码段. 由实模式跳入.[BITS   32]LABEL_SEG_CODE32:

; 开启分页机制的初始化工作，该指令执行后，cpu即可开启分页机制[add]

 call   SetupPaging mov    ax, SelectorData mov    ds, ax   ; 数据段选择子 mov    ax, SelectorVideo mov    gs, ax   ; 视频段选择子 mov    ax, SelectorStack mov    ss, ax   ; 堆栈段选择子 mov    esp, TopOfStack ; 下面显示一个字符串 mov    ah, 0Ch  ; 0000: 黑底    1100: 红字 xor    esi, esi xor    edi, edi mov    esi, OffsetPMMessage    ; 源数据偏移 mov    edi, (80 * 10 + 0) * 2  ; 目的数据偏移。屏幕第 10 行, 第 0 列。 cld.1: lodsb test   al, al jz .2 mov    [gs:edi], ax add    edi, 2 jmp    .1.2: ; 显示完毕 ; 到此停止 jmp    SelectorCode16:0

; [add]启动分页机制 ————————————————————–

SetupPaging:

; 为简化处理, 所有线性地址对应相等的物理地址.
; 首先初始化页目录

 mov    ax, SelectorPageDir ; 此段首地址为 PageDirBase mov    es, ax mov    ecx, 1024    ; 共 1K 个表项 xor    edi, edi xor    eax, eax mov    eax, PageTblBase | PG_P  | PG_USU | PG_RWW ; PageTblBase equ 201000h 页表开始地址: 2M+4K

; 这里是在初始化页目录中项的内容，即对应页表的内存地址

.1:  stosd 

;stosb, stosw, stosd 把al/ ax/ eax的内容存储到 es:edi 指向的内存单元中, 该指令执行后，edi自增1

 add    eax, 4096    

; 为了简化, 所有页表在内存中是连续的.，每个页表占用4k字节空间

 loop   .1

; 初始化页目录的项内容 over
; 再初始化所有页表 (1K 个, 4M 内存空间)的项内容，即页表的项存储的是内存地址的高20位地址；

 mov    ax, SelectorPageTbl ; 此段首地址为 PageTblBase mov    es, ax mov    ecx, 1024 * 1024    ; 共 1M 个页表项, 也即有 1M 个页 (因为1k个页目录项，每个目录项映射到1k个页表项) xor    edi, edi xor    eax, eax mov    eax, PG_P  | PG_USU | PG_RWW.2: stosd add    eax, 4096    ; 每一页指向 4K 的空间 loop   .2

; 初始化页表的项内容 over

 mov    eax, PageDirBase

; 加载页目录的基地址到 cr3

 mov    cr3, eax

; 设置cr0的PG位=1，开启分页机制

 mov    eax, cr0 or eax, 80000000h mov    cr0, eax jmp    short .3.3: nop ret

; 分页机制启动完毕 ———————————————————-

SegCode32Len    equ $ - LABEL_SEG_CODE32; END of [SECTION .s32]; 16 位代码段. 由 32 位代码段跳入, 跳出后到实模式[SECTION .s16code]ALIGN   32[BITS   16]LABEL_SEG_CODE16: ; 跳回实模式: mov    ax, SelectorNormal mov    ds, ax mov    es, ax mov    fs, ax mov    gs, ax mov    ss, ax mov    eax, cr0 and    eax, 7FFFFFFEh   ; PE=0, PG=0 mov    cr0, eaxLABEL_GO_BACK_TO_REAL: jmp    0:LABEL_REAL_ENTRY  ; 段地址会在程序开始处被设置成正确的值Code16Len   equ $ - LABEL_SEG_CODE16; END of [SECTION .s16code]

---

3.3 页式存储总结

分段机制将逻辑地址转换成线性地址，线性地址通过分页机制转换成物理地址。

为什么使用分页？（干货）
分页管理机制的目的在于实现虚拟存储器，线性地址中的任意一个页都能映射到物理地址中的任何一个页，使得内存管理机制特别灵活。
分页和分段的最大不同之处在于？（干货）

• 1）段的长度不固定： 段的长度通常与存放在其中的代码和数据结构具有相同的长度；
• 2）页面长度固定：页面具有固定的长度；
• 3）如果仅使用分段地址转换：那么存储在物理内存中的一个数据结构将包含所有的部分；
• 4）如果使用了分页，那么一个数据结构就可以一部分存储在物理内存中，一部分存储在磁盘上（虚拟存储器）；
• 5）为了减少地址转换所要求的总线总起数量，最近访问的页目录和页表会被存放在处理器的缓冲器件中，该缓冲器件被称为TLB（translation lookaside buffer，翻译后备缓冲寄存器），提高访存效率；

3.3.1 分页机制概述

Why-为什么使用两极页表结构？

• w1）页表含有2^20（1M）个表项，每项占4字节。如果用一个表来存储的话，将最多占用4M；为减少内存占用量，X86使用了两极页表；

• w2）每个，仅有一个页目录占用4k， 每个页表占用4k，而要知道页目录一定常驻内存，而页表是在需要的时候才占用内容空间，当然常用的页表会存储在TLB中，这在一定程度上减少了
  页表机制进行线性地址与物理地址映射所占用内存空间；（干货）

• 1）第一级页表——页目录（bit31~22)：页目录项存储的内容是页表的基地址（高20位存储页表基地址，低12位存储所指向的页表属性）（干货）; 它被存放在1页4k页面中， 含有1k个4字节长度的表项，通过线性地址的bit31~22进行索引页目录表项；

• 2）第二级页表——页表（bit21~12）：页表项存储的内容是物理页的基地址（高20位存储物理页基地址，低12位存储物理页属性）（干货）; 它被存放在1页4k页面中，含有1k个4字节长度的表项，而该页表的表项由 bit21~12进行定位；

• 3）偏移地址（bit11~0）：它存储的是物理页的第12位地址（干货）； 把页表项存储的高20位地址作为物理页的高20位地址，而偏移地址12位作为物理页的低12位地址，这样就得到了32位的物理地址；

• 4）映射到的物理地址空间：页长4k，总共有1k个页目录项，每个页目录项映射一张页表，每张页表有1k个页表项；故总共1k * 1k =1M个页表项；所以物理地址空间=1M * 4k = 4G

（you should know）：
Y1）页目录的基地址存储在cr3中；
Y2）开启分页机制，要设置cr0的最高位PG位=1；