保护模式进阶

本章为之前学习《操作系统真相还原》一书时候的笔记，内容为第五章

获取物理内存容量

学习Linux获取内存的方法

在Linux 2.6内核中，获取内存是通过detect_memory函数来获取内存容量的，其函数本质上通过BIOS的0x15中断实现，0x15中断的三个子功能：

EAX=0xE820，遍历主机上全部内存
AX=0xE801，分别检测低15MB和16MB~4GB的内存，最大支持4GB
AH=0x88，最多检测出64MB内存，实际内存超过容量也按64MB返回

BIOS中断位实模式下的方法，因此要在进入保护模式前调用，如果一种方法失败会尝试另一种方法，如果都失败了则停止运行

利用BIOS中断0x15子功能0xe820获取内存

0xe820子功能返回的内存信息较丰富，使用地址范围描述符来描述：

type字段用来描述这段内存的类型和用途：

同时，该子功能的中断参数说明：

利用BIOS中断0x15子功能0xe801获取内存

该子功能最大只能识别4GB内存

说明：

利用BIOS中断0x15子功能0x88获取内存

该子功能最简单，最多只能识别64MB大小内存

使用说明：

启用内存分页机制

内存为什么要分页

如下所示：

当出现上述的内存问题时，有以下两个办法：

等待进程C运行结束
将进程A或C的部分内存换出到硬盘

内存换出的过程：

如果该描述符中P位为1，表示该段在内存中存在。访问过该段后， CPU 将段描述符中的A位置，表示近来刚访问过该段。相反，如果P位为0，说明内存中并不存在该段，这时候 CPU 将会抛出个 NP （段不存在）异常，转而去执行中断描述符表中 NP 异常对应的中断处理程序，此中断处理程序是操作系统负责提供的，该程序的工作是将相应的段从外存（比如硬盘）中载入到内存，并将段描述符的P位置1，中断处理函数结束后返回， CPU 重复执行这个检查，继续查看该段描述符的P位，此时已经为1了，在检查通过后，将段描述符的A位置 1
段描述符的A位主要用于统计一个周期内段的访问频率

内存换出的办法的缺点为，受硬盘剩余空间影响且整个过程非常耗时

归根结底，造成这种困扰的原因就是，在只分段的情况下，CPU认为线性地址等于物理地址，线性地址是由编译器编译出来的，它本身是连续的，所以物理地址也必须要连续才行，但我们可用的物理地址不连续

由此，我们首先要做的是解除线性地址与物理地址一一对应的关系，然后将它们的关系重新建立。通过某种映射关系，可以将线性地址映射到任意物理地址

一级页表

在不打开分页机制的情况下，内存访问是直接根据段基址+偏移地址进行的：

但是，如果打开了分页机制，段基址+偏移地址得到的就是虚拟地址，需要在页表中查找到相应的物理地址才能拿来使用：

分页机制的作用有两方面：

将线性地址转换成物理地址
用大小相等的页代替大小不等的段

如图所示：

32位地址可以分成两部分，内存块数量和内存块尺寸：

如下所示为一级页表模型：

由于页大小是4KB，所以页表项中的物理地址都是4k的整数倍，故用十六进制表示的地址，低3位都是0

地址的低12位可用于表示在页内的偏移，用于页内寻址，高20位用于页表项

当程序中给出一个线性地址时，由页部件分析线性地址，在页表中检索到物理地址

拿mov ax, [0x1234]举例，一级页表的地址转换过程如下：

二级页表

当前操作系统用的一般都是二级页表

建立二级页表的原因为：

一级页表必须要提前建立好，而每个进程都有自己的页表，进程一多，光是页表就要占领很大一部分空间

标准页的尺寸为4KB，一级页表是将4GB内存分成1M个标准页放到一张页表中，二级页表是将这1M个标准页平均放置1K个页表中，，每个页表含有1K个页表项，页表项大小是4字节，如图所示：

在二级页表中，虚拟地址到物理地址的转化也与一级页表不同

我们要定位到某个物理页，首先要在页目录表中找到其所属的页表，所以首先使用高10位二进制(32-22位)来索引页表

然后用中间10位(21-12位)来在页表中索引物理页，最后用低12位(11-0位)用于页内偏移量

例如mov ax, [0x12345678]，地址转换过程如图所示：

搞清楚过程之后看下页表项和页目录项，由于页大小为4KB，所以低12位为000，因此可以拿来他用

一些属性的解释如下：

P，Present，即为存在位，若1表示该页存在于物理内存中，为0表示不存在
RW，Read/Write，意为读写位，若1表示可读可写，若0表示可读不可写
US，User/Supervisor，意为普通用户/超级用户位，1表示处于User级，任意级别特权(0,1,2,3)都可以访问该页，若为0表示处于Supervisor级，只允许特权级为0，1，2的程序访问
PWT，Page-level Write-Through，意为页级通写位，也称页级写透位，为1表示此项采用通写方式，该页不仅是普通内存，还是高速缓存
PCD，Page-level Cache Disable，意为页级高速缓存禁止位，为1表示该页启用高速缓存
A，Accessed，意为访问位，为1表示被CPU访问过了
D，Dirty，意为脏页位，当CPU对一个页面执行写操作时，就会设置对应页表项的D位为1
PAT，意为页属性表位，能够在页面一级的粒度上设置内存属性
G，Global，意为全局位，为1表示全局页
AVL，Available位，表示可用

启用分页机制，我们需要按顺序做好三件事：

准备好页目录表及页表
将页表地址写入控制寄存器cr3
寄存器cr0的PG位置1