Linux系統(tǒng)內(nèi)存尋址的分頁機(jī)制是什么

這篇文章主要講解了“Linux系統(tǒng)內(nèi)存尋址的分頁機(jī)制是什么”，文中的講解內(nèi)容簡單清晰，易于學(xué)習(xí)與理解，下面請大家跟著小編的思路慢慢深入，一起來研究和學(xué)習(xí)“Linux系統(tǒng)內(nèi)存尋址的分頁機(jī)制是什么”吧！

創(chuàng)新互聯(lián)公司是一家專注于成都網(wǎng)站建設(shè)、網(wǎng)站設(shè)計和服務(wù)器托管的網(wǎng)絡(luò)公司，有著豐富的建站經(jīng)驗(yàn)和案例。

分頁機(jī)制在段機(jī)制之后進(jìn)行，以完成線性—物理地址的轉(zhuǎn)換過程。段機(jī)制把邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址，分頁機(jī)制進(jìn)一步把該線性地址再轉(zhuǎn)換為物理地址。

硬件中的分頁

分頁機(jī)制由CR0中的PG位啟用。如PG=1，啟用分頁機(jī)制，并使用本節(jié)要描述的機(jī)制，把線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。如PG=0，禁用分頁機(jī)制，直接把段機(jī)制產(chǎn)生的線性地址當(dāng)作物理地址使用。分頁機(jī)制管理的對象是固定大小的存儲塊，稱之為頁 (page)。分頁機(jī)制把整個線性地址空間及整個物理地址空間都看成由頁組成，在線性地址空間中的任何一頁，可以映射為物理地址空間中的任何一頁（我們把物理空間中的一頁叫做一個頁面或頁框(page frame)）。

80386 使用4K字節(jié)大小的頁。每一頁都有4K字節(jié)長，并在4K字節(jié)的邊界上對齊，即每一頁的起始地址都能被4K整除。因此，80386把4G字節(jié)的線性地址空間，劃分為1G個頁面，每頁有4K字節(jié)大小。分頁機(jī)制通過把線性地址空間中的頁，重新定位到物理地址空間來進(jìn)行管理，因?yàn)槊總€頁面的整個4K字節(jié)作為一個單位進(jìn)行映射，并且每個頁面都對齊4K字節(jié)的邊界，因此，線性地址的低12位經(jīng)過分頁機(jī)制直接地作為物理地址的低12位使用。

為什么使用兩級頁表

假設(shè)每個進(jìn)程都占用了4G的線性地址空間，頁表共含1M個表項(xiàng)，每個表項(xiàng)占4個字節(jié)，那么每個進(jìn)程的頁表要占據(jù)4M的內(nèi)存空間。為了節(jié)省頁表占用的空間，我們使用兩級頁表。每個進(jìn)程都會被分配一個頁目錄，但是只有被實(shí)際使用頁表才會被分配到內(nèi)存里面。一級頁表需要一次分配所有頁表空間，兩級頁表則可以在需要的時候再分配頁表空間。

兩級頁表結(jié)構(gòu)

兩級表結(jié)構(gòu)的第一級稱為頁目錄，存儲在一個4K字節(jié)的頁面中。頁目錄表共有1K個表項(xiàng)，每個表項(xiàng)為4個字節(jié)，并指向第二級表。線性地址的最高10位(即位31~位32)用來產(chǎn)生第一級的索引，由索引得到的表項(xiàng)中，指定并選擇了1K個二級表中的一個表。

兩級表結(jié)構(gòu)的第二級稱為頁表，也剛好存儲在一個4K字節(jié)的頁面中，包含1K個字節(jié)的表項(xiàng)，每個表項(xiàng)包含一個頁的物理基地址。第二級頁表由線性地址的中間10 位(即位21~位12)進(jìn)行索引，以獲得包含頁的物理地址的頁表項(xiàng)，這個物理地址的高20位與線性地址的低12位形成了最后的物理地址，也就是頁轉(zhuǎn)化過程輸出的物理地址。

頁目錄項(xiàng)

第31~12位是20位頁表地址，由于頁表地址的低12位總為0，所以用高20位指出32位頁表地址就可以了。因此，一個頁目錄最多包含1024個頁表地址。

第0位是存在位，如果P=1，表示頁表地址指向的該頁在內(nèi)存中，如果P=0，表示不在內(nèi)存中。

第1位是讀/寫位，第2位是用戶/管理員位，這兩位為頁目錄項(xiàng)提供硬件保護(hù)。當(dāng)特權(quán)級為3的進(jìn)程要想訪問頁面時，需要通過頁保護(hù)檢查，而特權(quán)級為0的進(jìn)程就可以繞過頁保護(hù)。

第3位是PWT（Page Write-Through）位，表示是否采用寫透方式，寫透方式就是既寫內(nèi)存（RAM）也寫高速緩存,該位為1表示采用寫透方式

第4位是PCD（Page Cache Disable）位，表示是否啟用高速緩存,該位為1表示啟用高速緩存。

第5位是訪問位，當(dāng)對頁目錄項(xiàng)進(jìn)行訪問時，A位=1。

第7位是Page Size標(biāo)志，只適用于頁目錄項(xiàng)。如果置為1，頁目錄項(xiàng)指的是4MB的頁面，請看后面的擴(kuò)展分頁。

第9~11位由操作系統(tǒng)專用，Linux也沒有做特殊之用。

頁面項(xiàng)

80386的每個頁目錄項(xiàng)指向一個頁表，頁表最多含有1024個頁面項(xiàng)，每項(xiàng)4個字節(jié)，包含頁面的起始地址和有關(guān)該頁面的信息。頁面的起始地址也是4K的整數(shù)倍，所以頁面的低12位也留作它用。

第31~12位是20位物理頁面地址，除第6位外第0～5位及9~11位的用途和頁目錄項(xiàng)一樣，第6位是頁面項(xiàng)獨(dú)有的，當(dāng)對涉及的頁面進(jìn)行寫操作時，D位被置1。

4GB的內(nèi)存只有一個頁目錄，它最多有1024個頁目錄項(xiàng)，每個頁目錄項(xiàng)又含有1024個頁面項(xiàng)，因此，內(nèi)存一共可以分成1024×1024=1M個頁面。由于每個頁面為4K個字節(jié)，所以，存儲器的大小正好最多為4GB。

線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換

32位線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換

1.CR3包含著頁目錄的起始地址，用32位線性地址的最高10位A31~A22作為頁目錄的頁目錄項(xiàng)的索引，將它乘以4，與CR3中的頁目錄的起始地址相加，形成相應(yīng)頁表的地址。

2.從指定的地址中取出32位頁目錄項(xiàng)，它的低12位為0，這32位是頁表的起始地址。用32位線性地址中的A21~A12位作為頁表中的頁面的索引，將它乘以4，與頁表的起始地址相加，形成32位頁面地址。

3.將A11~A0作為相對于頁面地址的偏移量，與32位頁面地址相加，形成32位物理地址。

擴(kuò)展分頁

從奔騰處理器開始，Intel微處理器引進(jìn)了擴(kuò)展分頁，它允許頁的大小為4MB。

在擴(kuò)展分頁的情況下,分頁機(jī)制把32位線性地址分成兩個域：最高10位的目錄域和其余22位的偏移量。

頁面高速緩存

由于在分頁情況下，每次存儲器訪問都要存取兩級頁表，這就大大降低了訪問速度。所以，為了提高速度，在386中設(shè)置一個最近存取頁面的高速緩存硬件機(jī)制，它 自動保持32項(xiàng)處理器最近使用的頁面地址，因此，可以覆蓋128K字節(jié)的存儲器地址。當(dāng)進(jìn)行存儲器訪問時，先檢查要訪問的頁面是否在高速緩存中，如果在， 就不必經(jīng)過兩級訪問了，如果不在，再進(jìn)行兩級訪問。平均來說，頁面高速緩存大約有98%的命中率，也就是說每次訪問存儲器時，只有2%的情況必須訪問兩級分頁機(jī)構(gòu)。這就大大加快了速度。

Linux中的分頁機(jī)制

Linux使用了一個適合32位和64位系統(tǒng)的分頁機(jī)制。

頁全局目錄

頁頂級目錄

頁中間目錄

頁表

頁全局目錄包含若干頁上級目錄的地址，頁上級目錄又依次包含若干頁中間目錄的地址，而頁中間目錄又包含若干頁表的地址。每一個頁表項(xiàng)指向一個頁框。線性地址因此被分成五個部分。圖中沒有顯示位數(shù)，因?yàn)槊恳徊糠值拇笮∨c具體的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)有關(guān)。

對于沒有啟用物理地址擴(kuò)展的32位系統(tǒng)，兩級頁表已經(jīng)足夠了。從本質(zhì)上說，Linux通過使“頁上級目錄”位和“頁中間目錄”位全為0，徹底取消了頁上級目錄和頁中間目錄字段。不過，頁上級目錄和頁中間目錄在指針序列中的位置被保留，以便同樣的代碼在32位系統(tǒng)和64位系統(tǒng)下都能使用。內(nèi)核為頁上級目錄和頁中間目錄保留了一個位置，這是通過把它們的頁目錄項(xiàng)數(shù)設(shè)置為1，并把這兩個目錄項(xiàng)映射到頁全局目錄的一個合適的目錄項(xiàng)而實(shí)現(xiàn)的。

啟用了物理地址擴(kuò)展的32 位系統(tǒng)使用了三級頁表。Linux的頁全局目錄對應(yīng)80×86 的頁目錄指針表（PDPT），取消了頁上級目錄，頁中間目錄對應(yīng)80×86的頁目錄，Linux的頁表對應(yīng)80×86的頁表。

最后，64位系統(tǒng)使用三級還是四級分頁取決于硬件對線性地址的位的劃分。

感謝各位的閱讀，以上就是“Linux系統(tǒng)內(nèi)存尋址的分頁機(jī)制是什么”的內(nèi)容了，經(jīng)過本文的學(xué)習(xí)后，相信大家對Linux系統(tǒng)內(nèi)存尋址的分頁機(jī)制是什么這一問題有了更深刻的體會，具體使用情況還需要大家實(shí)踐驗(yàn)證。這里是創(chuàng)新互聯(lián)，小編將為大家推送更多相關(guān)知識點(diǎn)的文章，歡迎關(guān)注！

標(biāo)題名稱：Linux系統(tǒng)內(nèi)存尋址的分頁機(jī)制是什么
網(wǎng)站URL：http://bm7419.com/article12/jjchdc.html

成都網(wǎng)站建設(shè)公司_創(chuàng)新互聯(lián)，為您提供外貿(mào)建站、網(wǎng)站制作、網(wǎng)站設(shè)計公司、定制網(wǎng)站、網(wǎng)站導(dǎo)航、用戶體驗(yàn)

廣告

聲明：本網(wǎng)站發(fā)布的內(nèi)容（圖片、視頻和文字）以用戶投稿、用戶轉(zhuǎn)載內(nèi)容為主，如果涉及侵權(quán)請盡快告知，我們將會在第一時間刪除。文章觀點(diǎn)不代表本網(wǎng)站立場，如需處理請聯(lián)系客服。電話：028-86922220；郵箱：631063699@qq.com。內(nèi)容未經(jīng)允許不得轉(zhuǎn)載，或轉(zhuǎn)載時需注明來源： 創(chuàng)新互聯(lián)