CPU页式内存管理

页式内存管理

 

CPU的页式内存管理单元，负责把一个线性地址，最终翻译为一个物理地址。从管理和效率的角度出发，线性地址被分为以固定长度为单位的组，称为页(page)，例如一个32位的机器，线性地址最大可为4G，可以用4KB为一个页来划分，这页，整个线性地址就被划分为一个totall_page[2^20]的大数组，共有2的20个次方个页。这个大数组我们称之为页目录。目录中的每一个目录项，就是一个地址——对应的页的地址。

 

另一类“页”，我们称之为物理页，或者是页框、页桢的。是分页单元把所有的物理内存也划分为固定长度的管理单位，它的长度一般与内存页是一一对应的。

 

这里注意到，这个total_page数组有2^20个成员，每个成员是一个地址（32位机，一个地址也就是4字节），那么要单单要表示这么一个数组，就要占去4MB的内存空间。为了节省空间，引入了一个二级管理模式的机器来组织分页单元。如图所示：

 

 

(1) 分页单元中，页目录是唯一的，它的地址放在CPU的cr3寄存器中，是进行地址转换的开始点。

 

(2) 每一个活动的进程，因为都有其独立的对应的虚似内存（页目录也是唯一的），那么它也对应了一个独立的页目录地址。运行一个进程，需要将它的页目录地址放到cr3寄存器中，将别个的保存下来。

 

(3) 每一个32位的线性地址被划分为三部份，面目录索引(10位)：页表索引(10位)：偏移(12位)

 

 

 

可依据以下步骤进行转换：

 

1. 从cr3中取出进程的页目录地址（操作系统负责在调度进程的时候，把这个地址装入对应寄存器）；
2. 根据线性地址前十位，在数组中，找到对应的索引项，因为引入了二级管理模式，页目录中的项，不再是页的地址，而是一个页表的地址。（又引入了一个数组），页的地址被放到页表中去了。
3. 根据线性地址的中间十位，在页表（也是数组）中找到页的起始地址；
4. 将页的起始地址与线性地址中最后12位相加，得到最终我们想要的物理地址；

 

这个转换过程，应该说还是非常简单地。全部由硬件完成，虽然多了一道手续，但是节约了大量的内存，还是值得的。

二级模式空间的节约是从两个方面实现的：

A. 如果一级页表中的一个页表条目为空，那么那所指的二级页表就根本不会存在。这表现出一种巨大的潜在节约，因为对于一个典型的程序，4GB虚拟地址空间的大部份都会是未分配的；

B. 只有一级页表才需要总是在主存中。虚拟存储器系统可以在需要时创建，并页面调入或调出二级页表，这就减少了主存的压力。只有最经常使用的二级页表才需要缓存在主存中。不过Linux并没有完全享受这种福利，它的页表目录和与已分配页面相关的页表都是常驻内存的。

值得一提的是，虽然页目录和页表中的项，都是4个字节(32位)，但是它们都只用高20位，低12位屏蔽为0。把页表的低12屏蔽为0是很好理解的，因为这样它刚好和一个页面大小对应起来，大家都成整数增加。计算起来就方便多了。但是，为什么同时也要把页目录低12位屏蔽掉呢？因为按同样的道理，只要屏蔽其低10位就可以了。不过我想，因为12>10，这样可以让页目录和页表使用相同的数据结构，比较方便。

Linux的页式内存管理

前面说了i386的二级页管理架构，不过有些CPU，还有三级，甚至四级架构，Linux为了在更高层次提供抽像，为每个CPU提供统一的界面。提供了一个四层页管理架构，来兼容这些二级、三级、四级管理架构的CPU。这四级分别为：

• 页全局目录PGD（对应刚才的页目录）
• 页上级目录PUD（新引进的）
• 页中间目录PMD（新引进的）
• 页表PT（对应刚才的页表）。

整个转换依据硬件转换原理，只是多了二次数组的索引罢了，如下图：

那么对于使用二级管理架构32位的硬件，现在又是四级转换了，它们怎么能够协调地工作起来呢？

从硬件的角度，32位地址被分成了三部份——也就是说，不管理软件怎么做，最终落实到硬件，也只认识这三个部分。

从软件的角度，由于多引入了两部份，，也就是说，共有五部份。要让二层架构的硬件认识五部份也很容易，在地址划分的时候，将页上级目录和页中间目录的长度设置为0就可以了。这样，操作系统见到的是五部份，硬件还是按它死板的三部份划分，也不会出错。

这样，虽说是多此一举，但是考虑到64位地址，使用四层转换架构的CPU，我们就不再把中间两个设为0了，这样，软件与硬件再次和谐——抽像就是强大呀！

现在来理解Linux针对硬件的花招，因为硬件根本看不到所谓PUD，PMD。所以本质上要求PGD索引，直接就对应了PT的地址。而不是再到PUD和PMD中去查数组（虽然它们两个在线性地址中，长度为0，2^0 =1，也就是说，它们都是有一个数组元素的数组）。那么，内核如何合理安排地址呢？

从软件的角度上来讲，因为它的项只有一个，(32位)，刚好可以存放与PGD中长度一样的地址指针。那么所谓先到PUD，到到PMD中做映射转换，就变成了保持原值不变，直接转手就可以了。这样就实现了“逻辑上指向一个PUD，再指向一个PMD，但在物理上是直接指向相应的PT的这个抽像，因为硬件根本不知道有PUD、PMD这个东西”。

原文地址：http://www.ioutlier.com/nix/i-understand-the-logic-address-linear-address-physical-address-and-virtual-address/