简析内存分页机制

其实分页机制并不复杂，无论关于cpu的技术文章还是操作系统技术的文章都会提到分页机制，这是一种虚拟存储器的实现方法。
虚拟存储器的思想是程序、数据和堆栈的大小都有可能超过物理内存大小，由操作系统把当前使用的放在内存，而不需要的放在磁盘。
而绝大部分操作系统使用的虚拟存储器技术就是分页技术。
在虚拟存储器中，程序所产生的地址为虚拟地址，虚拟地址构成了虚拟地址空间。（当然了在没有虚拟存储器的系统上，程序产生的地址就是物理地址。其实程序并不知道，只是操作系统和处理器知道。下面都是按照使用虚拟存储器的系统来说）这些虚拟地址通过MMU（内存管理单元）映射为物理地址。
采用分页机制的系统，虚拟地址空间以页面为单位进行划分，虚拟地址空间会被划分成多个等大小的页面。物理地址空间也按页面为单位进行划分每一块成为页帧，或者页框。每一虚拟页面可以随意对应到物理页框，也可以对应到磁盘的页面文件的上。
我们按照IA32的分页机制来说，标准页面大小为4K。
例如一条mov指令：mov eax,[0];
此时虚拟地址0将被发给MMU，MMU发现0属于页面0的范围内，如果页面0对应的页框号为1，那么物理地址在物理地址4096-8191范围，此时就会将4096发送到地址总线上。因为虚拟地址0的页内偏移也是0（页内偏移：在页面里的位置，比如1，的页面偏移是1，4097的页面偏移也是1，这是因为一个页面大小为4K，用虚拟地址 mod 4k就得到了页内偏移）。
就类似mov eax,[4095];mov eax,[4096],4095属于页面0，页面0对应页框1，那么物理地址为8191，而4096属于页面1的范围，如果页面1对应页框0，此时的物理地址就是0。
由上面可以看出，虚拟地址空间是连续的，而物理空间是可以不连续的。也就是说一个程序只要保证他的虚拟地址空间是连续的，它就可以正常运行。
上面说的是虚拟地址到物理地址的映射的简单情况。可是如何记录这些页面到页框的映射关系呢？(当然也有些处理器系统是页框到页面的转化)。在IA处理器上使用的是页表，就是在物理内存里有一块连续的空间，来记录这些页面到页框的映射关系。每一个页表项里都有一部分去指向页框的起始地址，还有部分记录了这个页面的属性。可以通过页面号来做索引。页面号就是虚拟地址 / 4K，得到的整数部分。
当然如果只是单一的页表，也是有问题的，如果虚拟地址空间过大，那么页表所占的空间也会很大，这时候可以采用多级页表。IA32在采用4K页面的时候就使用了2级页表，IA64使用了4级。
其实两级也很简单，最上一级就是一个总的目录指示每一个二级页表的起始物理地址，可以在页号的高几位来索引页目录项。例如IA32就是通过虚拟地址的高10位来索引页目录项，然后中间10位来索引页表项。
这样，我们就可以只将用到的虚拟地址空间的页表写入内存，而没有用到的虚拟地址空间的页表就不写入。
例如，我们正好是只用了虚拟地址0-0x3FFFFF，那么我们可以在页目录第0项指向一个页表，这个页表就只表示了虚拟地址地址0-0x3FFFFF到物理地址空间的映射关系(因为高10位为页目录索引，页目录第0项，就表示了虚拟地址高10位必为0，也就是说只有低24位有效，所以最大只能到0x3FFFFF)。

文章来自: 本站原创
Tags: