1.硬件中的分页

1.1 页实现原理

• MMU的分页管理单元将线性地址转换成物理地址
• page

1. 将线性地址空间划分成固定长度的管理单元;
2. 内核为page 指定物理地址和访问权限，而不是整个线性地址

• page frame
  将整个物理地址空间划分成固定长度的管理单单元;
• page table
  1）负责映射线性地址到物理地址
  2）位于内存中
  3） 在分页单元使能前，初始化page table

1.2 两级分页方案的实现

• 减少每个进程的页表需要的内存的数量
• 线性地址划分成三部分

字段	位数
Directory	10 bit
Table	10 bit
offset	12 bit

• 两级页表
  页目录-包含1024 entry
  页表-包含1024个entry

• 每个进程分配了一个页目录
  页目录的物理地址存放在cr3 控制寄存器中

• 线性地址到物理地址的转换过程
  1）线性地址的Directory 部分，确定cr3 指向的页目录页表中的entry，这个entry 指向合适的page table；
  2）线性地址的Table 部分，确定1)中的page table 中的entry，这个entry 包含page frame的物理地址
  3）线性地址的Offset 确定在page frame中的偏移

  
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• 例子
  1）线性地址0x20021406
  2）线性地址的Directory 0x80部分选择页目录的entry 0x80, 这个entry指向与这个进程内存页的叶表；
  3）线性地址的Table部分0x21用于选择页表的entry 0x21,这个entry指向与这个进程page的page frame;
  4）线性地址的Offset 部分0x406用于选择page frame 的偏移0x406.
  5）若页表的entry 0x21 的present flag 被清除了，那么这个page 不在内存中；分页管理单元会发出页错误异常。

  
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1.3 扩展分页

• page frame 大小为4MB，而不是4KB
• 用于将大的连续的线性地址范围转换成对应的物理地址范围
• 不需要中间的叶表，节省内存
• 通过页目录entry. 的page size flag 来使能

字段	位数
Directory	10 bit
Offset	22 bit

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1.4 物理地址扩展分页机制（PAE）

• 可访问内存空间从4GB到64GB，扩展32bit 物理地址访问最大4GB空间的限制;
• 硬件增加地址线引脚从32个到36个
• cr4 PAE flag 激活PAE 功能
• 有两级分页方案改为三级方案，高2bit 引用PDPT
• 页目录和页表的entry 从32bit,增加到64bit, 这样他们的基地址从20bit扩展到24bit

名称	用途
cr3	指向PDPT
bits 31-30	指向PDPT中的entry1-4
bits 29-21	指向页目录中的entry 1-512
bits 20-12 Offset	指向页表中的entry 1-512
bits 11-0 Offset	4KB 中的偏移

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• 页目录中PS flag 激活2MB 的page

名称	用途
cr3	指向PDPT
bits 31-30	指向PDPT中的entry1-4
bits 29-21	指向页目录中的entry 1-512
bits 20-0 Offset	2MB 中的偏移

1.5 64位架构的分页机制

• x86 64位地址只使用其中的48位;

• 在32位两级分页的基础之上增加两级分页；

  
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1.6 TLB

• 缓存page table 的entry, 加速线性地址的转换的cache,
• 每个CPU 有自己的TLB
• 当一个CPU 的cr3 修改后，硬件自动invalidate 本地TLB 的所有entry
• 第一次访问线性地址，物理地址通过访问内存中的page table 计算而来，并存到TLB 中
• 后续的访问通过TLB

2.分页在Linux 中的实现

• 为32bit 和64bit 架构采用公共的分页模型
• 2.6.10，采用三级分页，2.6.11，采用四级分页
• 四种页表：

页表类型	用途
page global directory	包含多个page Upper directory的地址
page Upper directory	包含多个page Middle directory的地址
page Middle directory	包含多个page Table的地址
page Table	包含多个page table entry

• 线性地址划分成五部分

  
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• 分页

  • 32位架构 + PAE disable 采用两级分页
    1）通过set 成0bit, 去掉Page upper directory 和Page Middle directory)
    2）page Upper 和 page Middle table 只有一个entry

  • 32位架构 + PAE enable 采用三级分页
    1）page global 就是PDPT
    2）去掉Page upper
    3）Page Middle 对应Page directory

  • 64位架构
    三级或四级依靠HW

    
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• 每个进程有自己的一套页表
  1）进程切换时，保存当前的cr3 到当前的进程描述符中，加载下一个要执行的进程的描述符的cr3
  2）这样分页管理单元引用正确的一套页表