Windows?2000內(nèi)存篇?分頁機制介紹
(2009-03-10 10:34:42)
?基本概念
???? Windows 2000 使用基于分頁機制的虛擬內(nèi)存。每個進程有4GB的虛擬地址空間。基于分頁機制，這4GB地址空間的一些部分被映射了物理內(nèi)存，一些部分映射硬盤上的交換文件，一些部分什么也沒有映射。程序中使用的都是4GB地址空間中的虛擬地址。而訪問物理內(nèi)存，需要使用物理地址。
??? 下面我們看看什么是物理地址，什么是虛擬地址。
????物理地址?(physical address): 放在尋址總線上的地址。放在尋址總線上，如果是讀，電路根據(jù)這個地址每位的值就將相應(yīng)地址的物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線中傳輸。如果是寫，電路根據(jù)這個地址每位的值就將相應(yīng)地址的物理內(nèi)存中放入數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容。物理內(nèi)存是以字節(jié)(8位)為單位編址的。
????虛擬地址?(virtual address): 4G虛擬地址空間中的地址，程序中使用的都是虛擬地址。
??? 如果CPU寄存器中的分頁標志位被設(shè)置，那么執(zhí)行內(nèi)存操作的機器指令時，CPU會自動根據(jù)頁目錄和頁表中的信息，把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，完成該指令。比如 mov eax,004227b8h ，這是把地址004227b8h處的值賦給寄存器的匯編代碼，004227b8這個地址就是虛擬址。CPU在執(zhí)行這行代碼時，發(fā)現(xiàn)寄存器中的分頁標志位已經(jīng)被設(shè)定，就自動完成虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，使用物理地址取出值，完成指令。對于Intel CPU 來說，分頁標志位是寄存器CR0的第31位，為1表示使用分頁，為0表示不使用分頁。對于初始化之后的 Win2k 我們觀察CR0 ，發(fā)現(xiàn)第31位為1。表明Win2k是使用分頁的。
??? 使用了分頁機制之后，4G的地址空間被分成了固定大小的頁，每一頁或者被映射到物理內(nèi)存，或者被映射到硬盤上的交換文件中，或者沒有映射任何東西。對于一般程序來說，4G的地址空間，只有一小部分映射了物理內(nèi)存，大片大片的部分是沒有映射任何東西。物理內(nèi)存也被分頁，來映射地址空間。對于32bit的Win2k，頁的大小是4K字節(jié)。CPU用來把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址的信息存放在叫做頁目錄和頁表的結(jié)構(gòu)里。
??? 物理內(nèi)存分頁，一個物理頁的大小為4K字節(jié)，第0個物理頁從物理地址 0x00000000 處開始。由于頁的大小為4KB，就是0x1000字節(jié)，所以第1頁從物理地址 0x00001000處開始。第2頁從物理地址0x00002000處開始。可以看到由于頁的大小是4KB，所以只需要32bit的地址中高20bit來尋址物理頁。
????頁表，一個頁表的大小為4K字節(jié)，放在一個物理頁中。由1024個4字節(jié)的頁表項組成。頁表項的大小為4個字節(jié)(32bit)，所以一個頁表中有1024個頁表項。頁表中的每一項的內(nèi)容（每項4個字節(jié),32bit）高20bit用來放一個物理頁的物理地址，低12bit放著一些標志。
????頁目錄，一個頁目錄大小為4K字節(jié)，放在一個物理頁中。由1024個4字節(jié)的頁目錄項組成。頁目錄項的大小為4個字節(jié)(32bit)，所以一個頁目錄中有1024個頁目錄項。頁目錄中的每一項的內(nèi)容（每項4個字節(jié)）高20bit用來放一個頁表（頁表放在一個物理頁中）的物理地址，低12bit放著一些標志。?對于x86系統(tǒng)，頁目錄的物理地址放在CPU的CR3寄存器中。
???? CPU把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址：
???? 一個虛擬地址，大小4個字節(jié)(32bit)，包含著找到物理地址的信息，分為3個部分：第22位到第31位這10位（最高10位）是頁目錄中的索引，第12位到第21位這10位是頁表中的索引，第0位到第11位這12位（低12位）是頁內(nèi)偏移。對于一個要轉(zhuǎn)換成物理地址的虛擬地址，CPU首先根據(jù)CR3中的值，找到頁目錄所在的物理頁。然后根據(jù)虛擬地址的第22位到第31位這10位（最高的10bit)的值作為索引，找到相應(yīng)的頁目錄項(PDE,page directory entry),頁目錄項中有這個虛擬地址所對應(yīng)頁表的物理地址。有了頁表的物理地址，根據(jù)虛擬地址的第12位到第21位這10位的值作為索引，找到該頁表中相應(yīng)的頁表項(PTE,page table entry),頁表項中就有這個虛擬地址所對應(yīng)物理頁的物理地址。最后用虛擬地址的最低12位，也就是頁內(nèi)偏移，加上這個物理頁的物理地址，就得到了該虛擬地址所對應(yīng)的物理地址。
???? 一個頁目錄有1024項，虛擬地址最高的10bit剛好可以索引1024項（2的10次方等于1024）。一個頁表也有1024項，虛擬地址中間部分的10bit，剛好索引1024項。虛擬地址最低的12bit（2的12次方等于4096），作為頁內(nèi)偏移，剛好可以索引4KB，也就是一個物理頁中的每個字節(jié)。
???? 一個虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址的計算過程就是，處理器通過CR3找到當前頁目錄所在物理頁，取虛擬地址的高10bit,然后把這10bit右移2bit（因為每個頁目錄項4個字節(jié)長，右移2bit相當于乘4）得到在該頁中的地址，取出該地址處PDE（4個字節(jié)），就找到了該虛擬地址對應(yīng)頁表所在物理頁，取虛擬地址第12位到第21位這10位，然后把這10bit右移2bit（因為每個頁表項4個字節(jié)長，右移2bit相當于乘4）得到在該頁中的地址，取出該地址處的PTE（4個字節(jié)），就找到了該虛擬地址對應(yīng)物理頁的地址，最后加上12bit的頁內(nèi)偏移得到了物理地址。
???? 32bit的一個指針，可以尋址范圍0x00000000-0xFFFFFFFF,4GB大小。也就是說一個32bit的指針可以尋址整個4GB地址空間的每一個字節(jié)。一個頁表項負責4K的地址空間和物理內(nèi)存的映射，一個頁表1024項，也就是負責1024*4k=4M的地址空間的映射。一個頁目錄項，對應(yīng)一個頁表。一個頁目錄有1024項，也就對應(yīng)著1024個頁表，每個頁表負責4M地址空間的映射。1024個頁表負責1024*4M=4G的地址空間映射。一個進程有一個頁目錄。所以以頁為單位，頁目錄和頁表可以保證4G的地址空間中的每頁和物理內(nèi)存的映射。
???? 每個進程都有自己的4G地址空間，從0x00000000-0xFFFFFFFF。通過每個進程自己的一套頁目錄和頁表來實現(xiàn)。由于每個進程有自己的頁目錄和頁表，所以每個進程的地址空間映射的物理內(nèi)存是不一樣的。兩個進程的同一個虛擬地址處（如果都有物理內(nèi)存映射）的值一般是不同的，因為他們往往對應(yīng)不同的物理頁。
???? 4G地址空間中低2G，0x00000000-0x7FFFFFFF是用戶地址空間，4G地址空間中高2G，
0x80000000-0xFFFFFFFF 是系統(tǒng)地址空間。訪問系統(tǒng)地址空間需要程序有ring0的權(quán)限。