7.3 了解段/页表慕课视频播放-操作系统-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

好那我们接下来再看一下

X86内存管理单元MMU

那这一块为什么要跟大家讲这个

是在于我们原理课讲到

我们有对连续地址空间的管理和

对离散地址空间的管理

那么离散地址空间的管理需要

所谓的一种段机制和页机制

那么在X86里面正好

这种CPU它两种机制都存在

而且是可以共存的

可以实现所谓的段页式的一种管理

那我们可以看看X86

怎么来有效的来建立这个段表页表的

那我们可以知道需要去

进一步了解页表或者段表的一些格式

以及如何操作页表项

那么有了这些知识之后我们就可以

在我们的硬件里面建立一套所谓的映射机制

把我们段机制和页机制都建立起来

完成对这种更大的一个空间的一个管理

以及对离散空间的一个管理

那么它的管理效率会更加高

那这也是我们说CPU很重要的一个功能

那这一块我们会讲解有关页表的一些信息

以及怎么去建立好段表页表

以及怎么去操作页表项

这是我们这一章讲的内容

那么它和我们的lab2

要完成的练习是一一对应的

首先我们看一下这个段机制

其实在lab1里面我们已经接触到段机制

只是我们没把重点放在那个地方去讲解

而是把它留在lab2来讲解

因为段和页它都属于

我们的内存的管理的一套体系

我们可以看着在X86 MMU里面

它首先是有一套段机制

这个段机制包含了

比较多的一些功能的一些部件

第一个是有一系列的寄存器

我们说CS ES一直到GS

第二个有段描述符

那么寄存器里面的一些信息它的前面的

最高端的十几位它是专门用来作为一个index

作为一个索引来找到全局描述符表里面的一个项

全局描述符表就是一个叫GDT

可以理解为一个大的数组

根据数组里面找到对应的数组项

一项就是一个所谓的段描述符

在段描述符里面表明了你要访问

比如以CS为例 CS加上EIP

它要访问的那个地址对应的映射关系

这里面有它的一个Base Address这是最主要的

有了Base Address之后再加上

把这个EIP作为Offset合在一起

基址加上Offset形成最终的线性地址

如果没有启动这个页机制的话

那么线性地址就等同于物理地址

从而可以完成前面由我们的CS ES

以及CS加EIP ES或者是DS加上一个地址

所形成的虚拟地址到线性地址的一个转换

这边是虚拟地址表示

这边是最终的物理地址或者线性地址

它中间通过我们段机制的段描述符

来完成映射关系段描述符里面

重点是一个基址和它的一个段的限制

这两块信息很重要

我们有这两块信息之后

就可以知道怎么完成这个转换

那其实可以看出来这些信息

是需要这些段描述信息

这个CS里面它的index

都需要我们的软件提前设置好

这个软件是谁呢

很明显就是我们的ucore操作系统

好那有同学可能会提出质疑说

你说的这个GDT它到底是

放在内存里面的还是放在CPU里面的

大家想一想

其实GDT是放在内存里面的为什么

因为它占的空间比较大

如果放在CPU的话那么它这个开销太大

对CPU的压力比较大

所以说既然放在内存里面

我每一次地址映射的时候

都要去查所谓GDT全局描述符表

简单我们也可以称之为段表

访问这个段表那其实开销很大

我为了访问一个地址单元

我要再去访问这个地址

memory的速度远远小于我们CPU的速度

这我们之前讲计算机原理课的时候

会给大家提到的

那我们有什么办法

来加快这个选择的速度呢

其实靠我们的硬件来完成

这一点跟软件没有关系

那我们的硬件会把刚才我们的软件ucore

建立在GDT里面那个

段描述符里面的关键信息

给放在一个特殊的位置隐藏的部分

这隐藏的部分就是我们几个寄存器

CS SS一直到GS

它这里面有一部分你看得见是16个bit

那个段寄存器的值但是还有一大段

你是看不见的是隐藏在后端

我们的硬件直接控制

它里面缓存了我们的基址

还有限制等等其它一些信息

这里面只关注两个基址和它的段的一个大小

那么有了这个信息之后这个信息是放哪儿

是放在我们的CPU里面的

所以它可以通过CPU内部的一个访问

就是我们说的MMU

CPU内部的一个访问

来加快整个段的一个映射的过程

从而会提高效率

好我们可以看到这里面说

通过这些操作在entry.S里面我们的ucore

会建立好这个映射机制

那么这是我们的操作系统

建立的第一次映射机制

另外需要注意的是它建立映射机制

它完成了和我们前面讲的lab1所用到的

bootloader的建立机制不太一样

为什么这么说因为lab1建立的是对等映射

也就说我们的虚拟地址是0

我们的物理地址我们线性地址也是0

我们虚拟地址是1000

那我们的物理地址也是1000

它们完全是对等

那么在lab2里面它和lab1有比较大的区别

为什么这么说因为link的时候

它用到那个描述文件是

实际上指出了它的偏移是0xC0000000

且还是负的为什么这也是一个问题

那也意味着如果这么来设置的话

我们访问

如果我们虚拟地址是0xC0000000的时候

实际上对应的这个线性地址是0

它们是这么一个映射关系

就是虚拟地址比我们线性地址要大0xC0000000

它这么一个映射为什么这么映射

我们后面会进一步讲到

刚才那页讲的是说

操作系统ucore在开始执行的时候

它建立的映射关系

那其实我们再回顾一下lab1

我们lab1里面在一开始

它的bootloader也建立了一个映射关系

那个映射关系是一个对等映射

就0地址对应着0地址 1000对应着1000

它的大致建立过程是类似的

只是唯一的不同在哪儿

就是它用到的那个映射的关系

放在我们的GDT里面那个

段描述符里面的信息是不一样的

这导致了它们的映射关系完全发生了变化

我们现在是说我们希望

我们的操作系统能够用上页机制

那其实段是一种映射机制

我们的页又是另外一种映射机制

这时候有一个取舍

到底是两个都充分利用

还是强调其中一个

而忽视或者说弱化另外一个映射机制

大家想一想我们在课上

也对段机制和页机制做了一个讨论

那我们可以看看到底选择哪个更加方便

或者更加合适

那么其实对我们硬件架构来说

选择页机制相对来说有助于

我们硬件机制对它进行有效的处理

所以说你可以看到当前主流的CPU里面

比如除了X86之外还有MIPS ARM PowerPC等等

都采用了这种页机制为主的一种页映射关系

所以说在这里面我们的ucore也是一样

还需要通过段机制里面的安全保护手段

来确保整个系统的安全

但是我们弱化了它的映射机制

怎么弱化那既然我们说要选择页机制

来完成这个映射

就是从0xC0000000的虚地址

映射到一个物理地址为0的这么一个过程

那用页机制首先我们还是希望能够说

把我们的段机制又恢复回去

为什么要恢复回去

这个大家想一想恢复到什么

恢复到我们前面说的对等映射

那它的过程是一样的改变的是什么

改变的仅仅是我们说的那个对段表

全局描述符表里面的内容改变

因为那个内容里面

记录了每一个段的Base Address基址

那个实际上是用来映射用的

所以说那个做那么一个操作

做这个操作为什么要做这个操作

是为了能够建立我们说的

这个页机制做好一个准备

否则我们的段机制

它也要完成一个从0xC0000000

到0的一个映射这没必要

为什么这么麻烦我还搞两次

这一点也是留一个问题大家去考虑一下

操作系统课程列表：

第零讲在线教学环境准备

-0.1 Piazza讨论区

--piazza访问和使用

--html

-0.2 在线实验平台

-0.2在线实验平台

第一讲操作系统概述

-1.1 课程概述

--视频

-第一讲操作系统概述--练习

-1.2 教学安排

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-1.3 什么是操作系统

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-1.4 为什么学习操作系统，如何学习操作系统

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-1.5 操作系统实例

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-1.6 操作系统的演变

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-1.7 操作系统结构

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第二讲实验零操作系统实验环境准备

-2.1 前言和国内外现状

-2.2 OS实验目标

-2.3 8个OS实验概述

-2.4 实验环境搭建

-2.5 x86-32硬件介绍

-2.6 ucore部分编程技巧

-2.7 演示实验操作过程

--Q6

--Q7

--Q10

第三讲启动、中断、异常和系统调用

-3.1 BIOS

--3.1 BIOS

-3.2 系统启动流程

--3.2 系统启动流程

-3.3 中断、异常和系统调用比较

--3.3 中断、异常和系统调用比较

-第三讲启动、中断、异常和系统调用--3.3 中断、异常和系统调用比较

-3.4 系统调用

--3.4 系统调用

-第三讲启动、中断、异常和系统调用--3.4 系统调用

-3.5 系统调用示例

--3.5 系统调用示例

-3.6 ucore+系统调用代码

--3.6 ucore+系统调用代码

第四讲实验一 bootloader启动ucore os

-4.1 启动顺序

-4.2 C函数调用的实现

-4.3 GCC内联汇编

-4.4 x86中断处理过程

-4.5 练习一

-4.6 练习二

-4.7 练习三

-4.8 练习四练习五

-4.9 练习六

第五讲物理内存管理: 连续内存分配

-5.1 计算机体系结构和内存层次

-5.2 地址空间和地址生成

-5.3 连续内存分配

-5.4 碎片整理

-5.5 伙伴系统

-第五讲物理内存管理: 连续内存分配--5.6 练习

第六讲物理内存管理: 非连续内存分配

-6.1 非连续内存分配的需求背景

-6.2 段式存储管理

-6.3 页式存储管理

-6.4 页表概述

-6.5 快表和多级页表

-6.6 反置页表

-6.7 段页式存储管理

-第六讲物理内存管理: 非连续内存分配--6.8 练习

第七讲实验二物理内存管理

-7.1 了解x86保护模式中的特权级

--7.1 了解x86保护模式中的特权级

-第七讲实验二物理内存管理--7.1 了解x86保护模式中的特权级

-7.2 了解特权级切换过程

--7.2 了解特权级切换过程

-第七讲实验二物理内存管理--7.2 了解特权级切换过程

-7.3 了解段/页表

--7.3 了解段/页表

-第七讲实验二物理内存管理--7.3 了解段/页表

-7.4 了解UCORE建立段/页表

--7.4 了解ucore建立段/页表

-第七讲实验二物理内存管理--7.4 了解UCORE建立段/页表

-7.5 演示lab2实验环节

--7.5 演示lab2实验环节

第八讲虚拟存储概念

-8.1 虚拟存储的需求背景

-8.2 覆盖和交换

-8.3 局部性原理

-8.4 虚拟存储概念

-8.5 虚拟页式存储

-8.6 缺页异常

第九讲页面置换算法

-9.1 页面置换算法的概念

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-9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法

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-第九讲页面置换算法--9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法

-9.3 时钟置换算法和最不常用算法

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-第九讲页面置换算法--9.3 时钟置换算法和最不常用算法

-9.4 Belady现象和局部置换算法比较

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-第九讲页面置换算法--9.4 Belady现象和局部置换算法比较

-9.5 工作集置换算法

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-第九讲页面置换算法--9.5 工作集置换算法

-9.6 缺页率置换算法

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-第九讲页面置换算法--9.6 缺页率置换算法

-9.7 抖动和负载控制

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第十讲实验三虚拟内存管理

-10.1 实验目标：虚存管理

--10.1 实验目标：虚存管理

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.1 实验目标：虚存管理

-10.2 回顾历史和了解当下

-- 10.2 回顾历史和了解当下

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.2 回顾历史和了解当下

-10.3 处理流程、关键数据结构和功能

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-第十讲实验三虚拟内存管理--10.3 处理流程、关键数据结构和功能

-10.4 页访问异常

--10.4 页访问异常

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.4 页访问异常

-10.5 页换入换出机制

--10.5 页换入换出机制

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.5 页换入换出机制

第十一讲进程和线程

-11.1 进程的概念

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-第十一讲进程和线程--11.1 进程的概念

-11.2 进程控制块

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-第十一讲进程和线程--11.2 进程控制块

-11.3 进程状态

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-第十一讲进程和线程--11.3 进程状态

-11.4 三状态进程模型

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-11.5 挂起进程模型

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-第十一讲进程和线程--11.5 挂起进程模型

-11.6 线程的概念

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-第十一讲进程和线程--11.6 线程的概念

-11.7 用户线程

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-第十一讲进程和线程--11.7 用户线程

-11.8 内核线程

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第十二讲进程控制

-12.1 进程切换

--12.1 进程切换

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-12.2 进程创建

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-12.3 进程加载

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-第十二讲进程控制--12.3 进程加载

-12.4 进程等待与退出

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-第十二讲进程控制--12.4 进程等待与退出

第十三讲实验四内核线程管理

-13.1 总体介绍

-13.2 关键数据结构

-13.3 执行流程

-13.4 实际操作

第十四讲实验五用户进程管理

-14.1 总体介绍

--14.1 总体介绍

-14.2 进程的内存布局

--14.2 进程的内存布局

-14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现

--14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现

-14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现

--14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现

-14.5 进程复制

--14.5 进程复制

-14.6 内存管理的copy-on-write机制

--14.6 内存管理的copy-on-write机制

第十五讲处理机调度

-15.1 处理机调度概念

--15.1 处理机调度概念

-第十五讲处理机调度--15.1 处理机调度概念

-15.2 调度准则

--15.2 调度准则

-15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

-第十五讲处理机调度--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

-15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架

--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架

-第十五讲处理机调度--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和uc

-15.5 实时调度和多处理器调度

--15.5 实时调度和多处理器调度

-第十五讲处理机调度--15.5 实时调度和多处理器调度

-15.6 优先级反置

--15.6 优先级反置

-第十五讲处理机调度--15.6 优先级反置

第十六讲实验六调度器

-16.1 总体介绍和调度过程

-16.2 调度算法支撑框架

-16.3 时间片轮转调度算法

-16.4 Stride调度算法

第十七讲同步互斥

-17.1 背景

--17.1 背景

-17.2 现实生活中的同步问题

--17.2 现实生活中的同步问题

-第十七讲同步互斥--17.2 现实生活中的同步问题

-17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

-第十七讲同步互斥--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

-17.4 基于软件的同步方法

--17.4 基于软件的同步方法

-第十七讲同步互斥--17.4 基于软件的同步方法

-17.5 高级抽象的同步方法

--17.5 高级抽象的同步方法

-第十七讲同步互斥--17.5 高级抽象的同步方法

第十八讲信号量与管程

-18.1 信号量

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-第十八讲信号量与管程--18.1 信号量

-18.2 信号量使用

--18.2 信号量使用

-第十八讲信号量与管程--18.2 信号量使用

-18.3 管程

--18.3 管程

-第十八讲信号量与管程--18.3 管程

-18.4 哲学家就餐问题

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-18.5 读者-写者问题

--18.5 读者-写者问题

第十九讲实验七同步互斥

-19.1 总体介绍

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-19.2 底层支撑

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-第十九讲实验七同步互斥--19.2 底层支撑

-19.3 信号量设计实现

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-第十九讲实验七同步互斥--19.3 信号量设计实现

-19.4 管程和条件变量设计实现

--19.4 管程和条件变量设计实现

-第十九讲实验七同步互斥--19.4 管程和条件变量设计实现

-19.5 哲学家就餐问题

--19.5 哲学家就餐问题

第二十讲死锁和进程通信

-20.1 死锁概念

--20.1 死锁概念

-第二十讲死锁和进程通信--20.1 死锁概念

-20.2 死锁处理方法

--20.2 死锁处理方法

-第二十讲死锁和进程通信--20.2 死锁处理方法

-20.3 银行家算法

--20.3 银行家算法

-第二十讲死锁和进程通信--20.3 银行家算法

-20.4 死锁检测

--20.4 死锁检测

-第二十讲死锁和进程通信--20.4 死锁检测

-20.5 进程通信概念

--20.5 进程通信概念

-第二十讲死锁和进程通信--20.5 进程通信概念

-20.6 信号和管道

--20.6 信号和管道

-第二十讲死锁和进程通信--20.6 信号和管道

-20.7 消息队列和共享内存

--20.7 消息队列和共享内存

-第二十讲死锁和进程通信--20.7 消息队列和共享内存

第二十一讲文件系统

-21.1 文件系统和文件

--21.1 文件系统和文件

-第二十一讲文件系统--21.1 文件系统和文件

-21.2 文件描述符

--21.2 文件描述符

-第二十一讲文件系统--21.2 文件描述符

-21.3 目录、文件别名和文件系统种类

--21.3 目录、文件别名和文件系统种类

-第二十一讲文件系统--21.3 目录、文件别名和文件系统种类

-21.4 虚拟文件系统

--21.4 虚拟文件系统

-第二十一讲文件系统--21.4 虚拟文件系统

-21.5 文件缓存和打开文件

--21.5 文件缓存和打开文件

-第二十一讲文件系统--21.5 文件缓存和打开文件

-21.6 文件分配

--21.6 文件分配

-第二十一讲文件系统--21.6 文件分配

-21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

-第二十一讲文件系统--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

第二十二讲实验八文件系统

-22.1 总体介绍

--22.1 总体介绍

-第二十二讲实验八文件系统--22.1 总体介绍

-22.2 ucore 文件系统架构

--22.2 ucore 文件系统架构

-第二十二讲实验八文件系统--22.2 ucore 文件系统架构

-22.3 Simple File System分析

--22.3 Simple File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.3 Simple File System分析

-22.4 Virtual File System分析

--22.4 Virtual File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.4 Virtual File System分

-22.5 I/O设备接口分析

--22.5 I/O设备接口分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.5 I/O设备接口分析

-22.6 执行流程分析

--22.6 执行流程分析

第二十三讲 I/O子系统

-23.1 I/O特点

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-第二十三讲 I/O子系统--23.1 I/O特点

-23.2 I/O结构

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-第二十三讲 I/O子系统--23.2 I/O结构

-23.3 I/O数据传输

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-第二十三讲 I/O子系统--23.3 I/O数据传输

-23.4 磁盘调度

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-第二十三讲 I/O子系统--23.4 磁盘调度

-23.5 磁盘缓存

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-第二十三讲 I/O子系统--23.5 磁盘缓存

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