09｜Intel 内存管理两板斧：分段与分页

闪客

你好，我是闪客。
这一讲，我们看一个特别重要的东西，即 CPU 是如何管理内存的？当然，我们聊的是最最基础和底层的管理手段——分段和分页。
分页机制如何开启上一讲咱们说到，head.s 代码在重新设置了 gdt 与 idt。之后，我们就会看到这样一段代码：
jmp after_page_tables
...
after_page_tables:
    push 0
    push 0
    push 0
    push L6
    push _main
    jmp setup_paging
L6:
    jmp L6
也就是开启分页机制，并且跳转到 main 函数。如何跳转到之后用 c 语言写的 main.c 里的 main 函数，是个有趣的事，也包含在这段代码里。
不过，我们先瞧瞧这分页机制是如何开启的，也就是 setup_paging 这个标签处的代码。
setup_paging:
    mov ecx,1024*5
    xor eax,eax
    xor edi,edi
    pushf
    cld
    rep stosd
    mov eax,_pg_dir
    mov [eax],pg0+7
    mov [eax+4],pg1+7
    mov [eax+8],pg2+7
    mov [eax+12],pg3+7
    mov edi,pg3+4092
    mov eax,00fff007h
    std
L3: stosd
    sub eax,00001000h
    jge L3
    popf
    xor eax,eax
    mov cr3,eax
    mov eax,cr0
    or  eax,80000000h
    mov cr0,eax
    ret

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本文深入浅出地介绍了CPU内存管理的基础知识，主要围绕分段和分页两大内存管理手段展开讨论。首先介绍了分页机制的开启过程，包括设置页目录表和页表，以及改变CR0寄存器的值来开启分页机制。接着详细解释了分页机制的变换过程，包括线性地址的拆分和通过页目录表和页表进行转换的过程。文章还提到了MMU的作用，即将虚拟地址转换为物理地址。最后，通过代码示例展示了如何设置页表，并将线性地址空间与物理地址空间一一对应起来。整体来说，本文通过深入浅出的方式，让读者快速了解了CPU内存管理的基础知识，特别是分段和分页的技术特点。文章还介绍了逻辑地址、线性地址、物理地址和虚拟地址之间的关系，为读者提供了全面的内存管理知识。

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文中说：分段机制在之前几回已经讨论过多次了，其目的是为每个程序或任务提供单独的代码段（cs）、数据段（ds）、栈段（ss），使其不会相互干扰。可是每个程序所访问内存的时候不都是访问的同一个数据段ds寄存器吗，gdt表项各个进程都是访问的同一个表项，那这样怎么能做到不相互干扰呢？除非每个进程有他自己的GDT表项，然后基地址不同。
作者回复: 进程在内核态使用的是 GDT，在用户态使用的是 LDT，LDT 里的数据段和代码段每个进程都是相互隔离的，互不干扰。另外，在高版本 Linux 中，使用的是平台模型，即描述符表项的基地址都是零，相当于不再分段了，是通过虚拟内存也就是页表来达到进程隔离。这里讨论的是，CPU 本身设置分段基址，其中之一的目的是使得不同代码片内存相互隔离，至于操作系统怎么用，那就很灵活了，一般都是使用平坦模型。
2022-11-04归属地：北京

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Geek_c0b245
你好，我想请问一下这句话：“根据页目录项的格式，表示页表地址为 0x1000，页属性为 0x07。”代码里mov操作把0x00001007直接复制到PDE里面，根据PDE格式，第12位为1，其余高位应该为0，那么不是应该表示的是对应的page table的物理地址为0x00001吗？为什么是0x1000呢？
作者回复: 物理页单位是 4K
2022-11-25归属地：北京
3
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姚雷
作者你好， 15M=0000000011_0100000000_000000000000 这个是不是不对啊？应该是15M=0000000011_1100000000_000000000000？
2022-12-30归属地：陕西
2
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龍蝦
根据页目录项的格式，表示页表地址为 0x1000，页属性为 0x07。应该是根据页目录项的格式，表示页表地址为 0x1，页属性为 0x07。
2023-08-17归属地：江苏
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tanatang
每个页表有1024个页表项，页表1到页表3的存放地址是 0x1000，0x2000，0x3000，0x4000. 为什么一个页表的存储空间是 0x1000呢？相当于一个页表项的存储空间是 4bit？是怎么存储的？
2023-03-14归属地：四川
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一塌糊涂
cr3 寄存器存储的是物理地址吧， GDTR 寄存器里面保存的是线性地址吗？还有ldtR
2023-02-27归属地：北京
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