段页式访存——线性地址到物理地址的转换

前言：段页式的访存的内容还没有结束。。。还有一部分知识，线性地址到物理地址的转换。话不多说，让我们开始吧。

假设页的大小是 4KB，每个页表项占 4B，则理论上一个页表有多大?（虚拟空间大小是 4GB）

页表项数目 = 4 GB / 4 KB = 1 MB

所以，

页表大小 = 1 MB × 4 B = 4 MB

注意！

页的大小是 4KB。也就是说，一个页是放不下的。所以我们要采用多级页表的方式。

整体过程

（在这里说的是 IA-32 架构，也就是只有两层页表）

线性地址 ------> 物理地址的整体过程如下：

用文字叙述：

• 由逻辑地址得到的线性地址一共 32 位。前 10 位是页目录索引，中间 10 位是页表索引，最后 12 位是业内偏移量

• 由 CR3 寄存器得到「页目录基地址」，再得到「页目录项」

• 由「页目录项」得到「页表基地址」

• 由「页表基地址」得到「页表项」，最后得到物理地址

什么是 CR3 寄存器

在这里一共要介绍 3 种「控制寄存器」

• CR0：控制寄存器（转自维基百科）

  Bit	Name	Full Name	Description
  0	PE	Protected Mode Enable	如果为 1，则系统处于保护模式，否则系统处于实模式
  1	MP	Monitor co-processor	控制 WAIT / FWAIT 指令与 CR0 中 TS 标志的交互
  2	EM	Emulation	如果设置，则不存在 x87 浮点单元，如果清除，则存在 x87 浮点单元
  3	TS	Task switched	仅在使用 x87 指令后才允许在任务切换时保存 x87 任务上下文
  4	ET	Extension type	在 386 上，它允许指定外部数学协处理器是 80287 还是 80387
  5	NE	Numeric error	设置时启用内部 x87 浮点错误报告，否则启用 PC 样式 x87 错误检测
  16	WP	Write protect	设置后，当权限级别为 0 时，CPU 无法写入只读页面
  18	AM	Alignment mask	如果 AM 设置，AC 标志（在 EFLAGS 寄存器中）设置，并且权限级别为 3，则启用对齐检查
  29	NW	Not-write through	全局启用/禁用直写式缓存
  30	CD	Cache disable	全局启用/禁用内存缓存
  31	PG	Paging	如果为 1，则启用分页并使用 CR3 寄存器，否则禁用分页。

  在本例子中，CR0 寄存器主要用来标明使不使用分页。

• CR2：页故障（page fault）线性地址寄存器

  存放引起页故障的线性地址。只有在 CR0 中的 PG=1 时，CR2 才有效。

• CR3：页目录基址寄存器

  保存页目录表的起始地址。只有当 CR0 中的 PG=1 时，CR3 才有效。

这样就完成了访存的所有内容。我们来回顾一下

举个栗子

IA-32中,执行“movl 8(%ebp), %eax” 中取数操作的大致过程如下：

• 由 ds 寄存器得到 16 位段选择符，其中有 2 位记录了 CPL。

• 由段选择符，查表（第一次）或者查 Cache。找到段描述符。其中有 2 位记录了 DPL。以及 32 位的段基址。

• 如果 CPL >= DPL 则越级，否则计算线性地址 LA = 段基址 + R[ebp] + 0 * 0 + 8

• 若 LA > 段限，则越界，否则将 LA 转换为主存地址 A
  • 若访问 TLB 命中则地址转换得到 A;否则处理 TLB 缺失(硬件/OS)
  • 若缺页或越权(R/W不符)则调出 OS 内核;否则地址转换得到 A
  • 根据 A 先到 Cache 中找,若命中则取出 A 在 Cache 中的副本
  • 若 Cache 不命中,则再到主存取 A 所在主存块送对应 Cache 行