开启分页机制

大大源码 • 2023年4月5日 am8:24 • 其他

1. 分页的作用

在我们进行程序开发的时候，一般情况下，是不需要管理内存的，也不需要操心内存够不够用，其实，这就是分页机制给我们带来的好处。它是实现虚拟存储的关键，位于线性地址与物理地址之间，在使用这种内存分页管理方法时，每个执行中的进程（任务）可以使用比实际内存容量大得多的连续地址空间。而且当系统内存实际上被分成很多凌乱的块时，它可以建立一个大而连续的内存空间的映象，好让程序不用操心和管理这些分散的内存块。分页机制增强了分段机制的性能。页地址变换是建立在段变换基础之上的。因为，段管理机制对于Intel处理器来说是最基本的，任何时候都无法关闭。所以即使启用了页管理功能，分段机制依然是起作用的，段部件也依然工作。

2.两级页表结构

①内存分页管理的基本原理是将整个主内存区域划分成 4096 字节为一页的内存页面。程序申请使用内存时，就以内存页为单位进行分配。
　　②线性地址经过分页机制的转换变成物理地址，其实是通过两个表，一个是页目录表PDE，也叫一级目录，另一个是二级页表PTE。进程的虚拟地址需要首先通过其局部段描述符变换为 CPU 整个线性地址空间中的地址，然后再使用页目录表 PDE（一级页表）和页表 PTE（二级页表）映射到实际物理地址页上。
　　③页表中，每项的大小是32b，其中20b用来存放页面的物理地址，12b用于存放属性信息。页表含有1M个表项，每项4B。第一级表是页目录，存放在1页4k页面中，含有1K个表项。第二级是页表，也是1K个表项。
　　也就是说每个页目录项中指向一个页表，1个页表中有1K个页表项，每个页表项中存储着物理地址
　　④那么32位地址就被划分成了三部分
　　前10位是在一级目录中的索引，之后的10位是在二级目录中的索引，最后的低12位那就是偏移地址了
　　低12位代表了在一个4K页中的偏移

3.地址转换过程

①用虚拟地址的高10位4，作为页目录项表内的偏移地址，加上页目录表的物理地址，便是页目录项的物理地址，读取该地址的内容，从而获取到页表的物理地址
②用虚拟地址的中间10位4，作为页表内的偏移地址，加上在第一步得到的页表的物理地址，便是该页表项的物理地址，从而得到分配的物理地址
③得到分配的物理地址后，加上最后12位的页内偏移量，得到最终的物理地址
在这里插入图片描述

4. 开启分页

1.准备好页目录表和页表
2.将页表地址写入控制寄存器CR0
3.寄存器CR0的PG位置1

5.代码

这里需要注意的是，我们的操作系统是占据在虚拟内存的3GB-4GB的位置
操作系统占据了1GB的空间，一个页目录项 = 10244k = 4M，那么操作系统需要占据1GB/4M = 256个目录项，那么他占据的是高地址，就是从(1024-256) = 768个目录项开始，每个目录项占据4B，也就是7684 = 0xC00的由来

;/*******Page Table attitube**********/
PG_P    EQU 1b
PG_RW_R EQU 00b
PG_RW_W EQU 10b
PG_US_S EQU 000b
PG_US_U EQU 100b

.SetUp_Page:


我们的页表项总共占4K
;/*******Clear PDE**********/
MOV ECX, 4096				;1024*4B PDE size
MOV ESI, 0
MOV EBX, PAGE_DIR_TABLE_ADD


.Clear_PDE:
	MOV byte [EBX+ESI*4], 0		;逐位清除页表项
	INC ESI
	LOOP .Clear_PDE


;/*******Create PDE***********/
.Create_PDE:

	MOV EAX, PAGE_DIR_TABLE_ADD    页表的地址直接放在页表项之上
	ADD EAX, 0x1000			;第一个页表  0x1000 = 4k 0x101000
	MOV EBX, EAX
	OR EAX, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P  设置属性

	MOV [PAGE_DIR_TABLE_ADD + 0], EAX  
	;将第一个页目录项和第768个目录项都指向第一个页表
	MOV [PAGE_DIR_TABLE_ADD + 0xC00], EAX;  0xC00/4B = 768
	;(1024-768)*4M = 1G 

	
	SUB EAX, 0x1000    最后一个目录项 指向他自己
	MOV [PAGE_DIR_TABLE_ADD+4092], EAX; 1023*4  

我们的内核很小，是放置在低端物理地址的1M内的
;/**********Create PTE*********/	
MOV ECX, 256				;256*4K = 1M
MOV ESI, 0
MOV EDX, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P 

.Create_PTE:
	
	MOV [EBX+ESI*4], EDX
	ADD EDX, 4096			;4K
	INC ESI
	LOOP .Create_PTE


创建内核其他页表的PDE
;/*******Create other PDE********/
MOV EAX, PAGE_DIR_TABLE_ADD
ADD EAX, 0x2000				;second page table
OR  EAX, PG_US_U | PG_RW_W | PG_P
MOV EBX, PAGE_DIR_TABLE_ADD
MOV ECX, 254
MOV ESI, 769				;769-1022的所有目录项

.Create_Kernel_PDE:
	MOV [EBX+ESI*4], EAX
	INC ESI
	ADD EAX, 0x1000
	LOOP .Create_Kernel_PDE
	
	RET

	SGDT [GDT_PTR]
;/*****Video Map****/
	我们对显存的操控 也放在了内核之中
	MOV EBX, [GDT_PTR+2]
	OR dword [EBX+0x18+4], 0xC0000000

	ADD dword [GDT_PTR+2], 0xC0000000
	ADD ESP, 0xC0000000

	MOV EAX, PAGE_DIR_TABLE_ADD
	MOV CR3, EAX

	MOV EAX, CR0
	OR EAX, 0x80000000
	MOV CR0, EAX

	LGDT [GDT_PTR]