保護模式及其程式設計——分頁機制

摘要：分頁機制是實作虛拟存儲的關鍵，但是它的實作比較簡單。傳統的頁都是4K大小，當然，在最近的核心中，分頁機制因為一些原因而比較繁瑣。在這裡，我們僅僅淺談最簡單的分頁機制，在其他的文章中，我們将講解現代新linux核心中的分頁機制。

我們通過設定cr0的PG位來開啟分頁機制。頁大小是4K，并且是4K對齊的。線性位址到實體位址的轉換中，可能某些線性位址是無效的。如果某個線性位址對應的頁不存在，那麼通路的時候将産生一個異常。分頁和分段最大的不同就是分頁是固定大小的。為了減少位址轉化需要的總線周期數量，我們使用TLB緩存最近使用的頁表。

        
 1.頁表結構       
      
 1.1兩級頁表結構       
         頁表中，每項的大小是32b，其中20b用來存放頁面的實體位址，12b用于存放屬性資訊。

頁表含有1M個表項，每項4B.第一級表是頁目錄，存放在1頁4k頁面中，含有1K個表項。第二級是頁表，也是1K個表項。二級頁表的查找過程如下圖

        
  
            
 1.2.不存在的頁表       
         頁目錄表的每個表項都有一個present屬性，這個屬性可以節省存放頁表所需要的空間。另外，這個屬性還可以用于在虛拟記憶體中存放二級頁表。這意味着，任何時候隻有部分二級頁表在實體記憶體中，其餘可以儲存在磁盤上。

        
 2.頁表項格式       
         
頁表項格式如下圖：


        
  
             

其中屬性位包含如下資訊：
P——b0，存在位标志
R/W——b1，讀寫位标志
U/S——b2，使用者/超級使用者标志
A——b5，已經通路标志
D——b6，髒位标志
AVL——保留字段      

G:第8b，表示全局頁      

保護模式是否開啟，取決于cr0的第0位PG。      

有關資料結構;一個頁表或者頁目錄項大小是4B；而開啟分頁機制以後，存儲單元變成了頁（不存在說，一部分存儲開啟了分頁機制，另外一部分沒有開啟分頁機制（除非這部分不能通過作業系統通路到））。是以，一個頁上含有1024個頁表項；一個頁目錄，對應1K*4K=4M的空間；一個程式有4G的線性位址空間，正好需要1K個頁目錄來存儲，它占用的頁表是4M.      

另外，頁表和頁目錄表都表項都是32b的，其中位址對應的是20b（第12b清零）。      

當頁目錄或者頁表項被修改的時候，對應TLB中的項目也就失效了；當cr3重新加載的時候，所有的TLB都失效了（G标志為1的除外）      

因為頁目錄基位址是4K對齊的，是以CR3中僅用20b來存儲它的基位址。