【av68676164（p55-p58)】 Intel CPU和Linux内存管理

7.4.1 Intel CPU物理结构

https://www.cnblogs.com/megachen/p/9768115.html

x86实模式

实模式

20位：1M内存空间
地址表示方式：段地址（16位）：偏移地址（16位）
段地址4位对齐

保护模式（Protect Mode）

32位地址空间：4G内存
支持多任务、任务切换、上下文保护
进程隔离：代码和数据的安全
支持分段机制和分页机制
新的寄存器
- EAX~EDX：扩充到32位
- CR0~CR4
- GDTR
- LDTR
- IDTR
- ……

保护模式的寄存器模型

控制寄存器CR0

CR0的低5位组成机器状态字（MSW）

PE：0—实模式；1—保护模式
MP：1（系统有数字协处理器时）
EM：0（仿真协处理器）
TS：任务切换，切换任务时自动设置
PG：允许分页

控制寄存器CR2

如果发生缺页，引发缺页的线性地址保存在CR2中

控制寄存器CR3

CR3包含页目录基址：高20位

x86 CPU架构下的三种地址

逻辑地址：汇编语言（段：偏移）

若在保护模式下，DS不能理解为段基址

线性地址：由逻辑地址转换得到

物理地址

未分页线性地址==物理地址

分页线性地址!=物理地址

x86 CPU架构下的三种地址

线性地址（Linear Address）是逻辑地址到物理地址变换之间的中间层。在分段部件中逻辑地址是段中的偏移地址，然后加上基地址就是线性地址。

第一级：段机制（逻辑地址到线性地址）

第二级：分页机制（线性地址到物理地址）

逻辑地址、物理地址、线性地址

Intel架构下

凡是在代码中书写的内存地址都是逻辑地址，也就是采用基地址+偏移量，我们能够直接看到的也是逻辑地址，通过左移等操作可以计算出对应的物理地址（在实模式下逻辑地址与物理地址没有中间层所以是可以的，但是在保护模式则是行不通的，再说）

实模式下

逻辑地址通过左移等操作可以计算出对应的物理地址

保护模式

在逻辑地址和物理地址之间多了一个中间层线性地址
逻辑地址左移等操作计算出来的是线性地址而不再是物理地址了, 线性地址就是32位的整数
通过分页机制将线性地址转为32位的物理地址

7.4.2 Intel CPU段机制

段与段描述符

段

一段连续内存

段描述符

描述段的属性，8字节（保护模式）

段基址
段界限
段属性
段类型
访问该段所需最小特权级
是否在内存
……

描述符（Descriptor）

段基址：32位（段基址1+段基址2）

段界限：20位（段界限1+段界限2）

TYPE值	数据段和代码段描述符 S=1	系统段和门描述符 S=0
0	只读	<未定义>
1	只读，已访问	可用286TSS
2	读／写	LDT
3	读／写，已访问	忙的286TSS
4	只读，向下扩展	286调用门
5	只读，向下扩展，已访问	任务门
6	读／写、向下扩展	286中断门
7	读／写，向下扩展，已访问	286陷阱门
8	只执行	<未定义>
9	只执行、已访问	可用386TSS
A	执行／读	<未定义>
B	执行／读、已访问	386TSS
C	只执行、一致码段	386调用门
D	只执行、一致码段、已访间	<未定义>
E	执行／读、一致码段	386中断门
F	执行／渎、一致码段、已访问	386陷阱门

描述符的数据结构

typedef struct Descriptor  {

	unsigned int base24_31;			//:8	基地址的高8位

    unsigned int g;					//:1	段长单位，0：字节

    unsigned int d_b;				//:1

    unsigned int unused;			//:1

    unsigned int avl;				//:1

    unsigned int seg_limit_16_19;	//:4	段界限高4位

    unsigned int p;					//:1

    unsigned int dpl;				//:1

    unsigned int s;					//:1

    unsigned int type;				//:4

    unsigned int base_0_23;			//:24	基地址的低24位

    unsigned int seg_limit_O_15;	//:16	段界限低16位

}

描述符表（Descriptor Table）

描述符表

存放描述符的数组

长度：8字节的整数倍

描述符表类型

全局描述符表GDT：Global Descriptor Table
局部描述符表LDT：Local Descriptor Table
中断描述符表IDT：Interrupt Descriptor Table

全局描述符表GDT：Global Descriptor Table

包含所有进程可用的段描述符，系统进1个GDT表

局部描述符表LDT：Local Descriptor Table

包含与特定进程有关的描述符，每个进程由自己的LDT

中断描述符表IDT：Interrupt Descriptor Table

包含终端服务程序段的描述符（中断门描述符）

类似中断向量表

选择子（Selector）

选择子用于选择GDT/LDT中的某个描述符

存放在段寄存器中：高13位是整数索引。

构成

索引域（INDEX）：13位，给出段描述符在GDT或者IDT中的位置
TI域（Table Indicator）：1位，GDT（0）或IDT（1）
特权级别域（Request Privilege Level）：2位

例：LDT基址0012 0000H，GDT基址00100000H，CS=1007H

请求的特权级是多少？
目标段的描述符位于GDT中还是LDT中？
目标段的描述符的基地址是多少？

解：(CS)=1007H=0001 0000 0000 0111B

RPL=3，申请的特权级位3
TI=1，描述符位于LDT内
描述符相对于LDT基址的偏移量位

$0001 0000 0000 0B \times 8=512 \times 8 = 4096 = 1000H$

段描述符的地址为

$0012 0000H + 1000H = 0012 1000H$

把逻辑地址转换到线性地址（32位，4G）

7.4.3 Linux页面机制

硬件分页

分页

Intel CPU的页
通过设置CR0的PG位开启分页功能
分页：线性地址→物理地址（线性地址是分段功能获取的）
在MMU中进行分页

Linux的三级页表结构

普通页表实现时的问题

32位OS（4G空间），每页4K，页表每个记录占4字节

进程的页数：4G/4K=1M个页
- 页表的记录应有1M条记录
  - 页表所占内存：1M*4字节=4M
    - 页表占页框数：4M/4K=1K页框（连续）

问题：

难以找到连续1K个页框存放页表
页表全部放入过度消耗内存（4M）

解决办法

将4M的超大页表存储到离散的1K个页框中
仅将页表的部分内容调入内存

页号	页框号	中断位	外存地址	访问位	修改位
0	8	0	4000	1	0
1	24	0	8000	1	1
…	…	…	…	…	…

二级页表

把超大的页表（4M）以页为单位分成若干个小页表，存入离散的若干个页框中

为了对小页表进行管理和查找，另设置一个叫页目录的表，记录每个小页表的存放位置（页框号）

页目录实际上是一个特殊页表：每个记录存放的是小页表的标号和其所在的页框号之间的对应关系

页目录：一级页表或外部页表；小页表：二级页表

Windows NT二级页表的结构

页目录号：小页表页号（页目录的索引）31-22

页号：页面的编号（页表的索引）21-12

页偏移：页偏移 11-0

二级页表地址的映射特点

访问数据需要三次访问内存
页目录调入内存
页表按需要调入内存
页面、页表、页目录的大小都刚好4K（占一个页框）

7.4.4 Linux对段的支持

Linux段机制

进程建立时，段机制对寄存器初始化：start_thread()

#define start_thread(regs, new_eip, new_esp) do {

	__asm__("movl %0,%%fs ; movl %0,%%gs": :"r" (0));

	set_fs(USER_DS);

	//对段寄存器初始化

	//__USER_DS数据段

	regs->xds = __USER_DS;

	regs->xes = __USER_DS;

	regs->xss = __USER_DS;

	//__USER_CS代码段

	regs->xcs = __USER_CS;

	regs->eip = new_eip;

	regs->esp = new_esp;

} while (0)

#define __KERNEL_CS   0X10

#define __KERNEL_DS   0x18

#define __USER_CS     0x23

#define __USER_DS     0x2B

宏	值	INDEX	DPL
__KERNEL_CS	0X10	0000 0000 0001 0	0 0
__KERNEL_DS	0x18	0000 0000 0001 1	0 0
__USER_CS	0x23	0000 0000 0010 0	1 1
__USER_DS	0x2B	0000 0000 0010 1	1 1

INDEX：2,3,4,5；TI=0；DPL：0、3

GDT定义

ENTRY(gdt_table)

    .quad   0x0000000000000000 /*NULL descriptor*/

    .quad   0x0000000000000000 /*not used*/

    .quad   0x00cf9a000000ffff /*0x10 kernel 4GB code at 0x00000000*/

    .quad   0x00cf92000000ffff /*0x18 kernel 4GB data at 0x00000000*/

    .quad   0x00cffa000000ffff /*0x23 user 4GB code at 0x00000000*/

    .quad   0x00cff2000000ffff /*0x2b user 4GB data at 0x00000000*/

    .quad   0x0000000000000000 /*not used*/

    .quad   0x0000000000000000 /*not used*/

xxxx xxxx Gl00 hhhhPDP0 1010 xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx hhhh hhhh hhhh hhhh

K_CS:0000 0000 1100 111110011010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111111111111111

K_DS:0000 0000 1100 11111001 0010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111111111111111

U_CS:0000 0000 1100 111111111010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111111111111111

U_DS:0000 0000 1100 11111111 0010 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111111111111111 .

XXXX：基地址；hhhh：段界限
G位倒是1（段长单位4KB）；P位都是1（段在内存）

Linux的段机制

Linux四个范围一样的段：0~0xFFFFFFFF（4G）
- 内核数据段|内核代码段|用户数据段|用户代码段
各段属性不同
- 内核段特权级为0
- 用户段特权级位3
作用
- 利用段机制隔离用户数据和系统数据
  - 保留段的等级保护机制
- 简化（避免）逻辑地址到线性地址转换
  - 可以直接将虚拟地址当作线性地址，二者完全一致