7.4 了解ucore建立段/页表慕课视频播放-操作系统-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

好我们接下来看看

怎么来建立这个页的映射机制

为了能够理解这个机制

我们首先去了解一下我们整个这个

X86 CPU里面怎么来完成

基于页机制的一个地址映射的

它的硬件操作过程怎么回事

那可以看这幅图

这里面假定已经建好了一个

所谓的页目录表页表

这一块是它的物理内存

对于一个地址我们说一个虚拟地址

它分了三块分了三部分

这实际上是一个典型的二级页表

第一个是Offset这是32位的地址

占了12位那么中间的二级页表

对应的页表项占了10位

高的页目录项也占了10位

那么高的这10位是用来去查找

作为index查找这个页目录表里面的对应的项

这叫PDE

就是页目录的entry 在PDE记录什么信息

PDE记录的是二级页表里面的起始地址

可以放在这个地方

所以说根据PDE里面的信息

可以找到Page Table的起始地址

同时根据第二级Table这里面的10位

作为index来查这个Page Table对应的项

称之为PTE

这个PTE就是Page Table Entry

它里面存的什么

存的是你这个线性地址

它所对应的一个页的起始地址

这一个页大小多少

其实由它的Offset可以算出来

它12位那意味着一个页的大小是4K

那这里面PTE里面会存到

这么一个页的起始地址

它会按照4K地址来对齐

那么这个作为Base Address

来加上它Offset

来形成最终的这个物理地址

这就形成了物理地址

这是说在X86里面完成的一个

基于二级页表的一个地址映射关系

那你可以看出来我们的硬件是

这么来查找一个线性地址

怎么转到一个物理地址

那它为什么不是虚拟地址

而称之为线性地址大家想想

因为我们前面说到了

进入保护模式之后这个段机制是一定存在的

即使这个00映射我们说的对等映射存在

你也不能说为此把段

这个映射关系给取消掉

这是它必须存在的一个很重要的原因

也是为了上下兼容所以这是线性地址

那其实这个线性地址和

我们说应用程序虚拟地址是一样的

因为它是对等映射

我们既然知道了这么一个映射关系

我们来看一看看一个实际的例子

怎么能够把一个所谓的线性地址

或者是虚拟地址转换成一个物理地址

那我们需要建好这个页目录表

需要建好这个页表以及才能找到对应的页

那么页目录表和页表它其实也是4K大小

那么每一项每一个PTE

或者PTE是32位的一项

那意味着4K存1024项

那我们需要把这里面的信息填对了

才使得对于一个虚拟的地址

这是一个虚拟地址 32位的虚拟地址

0xC后面是1234567

这随便举了一个例子

它这个虚拟地址对应的物理地址多少

可以算出来

它实际上是根据这里面的

PDE PTE来算的

首先来看一下它的高10位

它的高10位其实是这里面

你数这10项实际上这10项

它其实代表的是304

需要注意了一下这个304

那意味着我们需要查

1024项里面的第0x304项

找到这个地方之后这里面会存一个信息

这个信息比如说存的是0x233

0x233它是按照4K来做一个偏移

偏移了12位向右偏移12位

所以把它向左再偏移12位

形成0x233000这么一个地址

这个地址实际上是我们说

它存的是Page Table的一个物理地址的基址

找到这个Page Table之后

我们的CPU会查中间10位

中间10位实际上对应的是0x234

234作为index

找到PDE PDE存的什么

存的是0x22333

同样它也是按照4K对齐右移了12位

所以我们把它通过左移12位

得到正确的你所对应的物理页的基址

就是0x22333后面3个0正好是12位

这是这个物理页的基址

加上它的Offset Offset是它的低12位

0x567 那么合在一起就形成了最终的物理地址

就是0x22333加上567

这就是它的物理地址

所以说可以看到我们需要在lab2里面

来完成对这两个表的建立

从而可以实现正确的映射关系

另外还要提醒一下就是在这里面存的

就比如说在页表项里面

存放的地址内容是线性地址

那这里面还有一点是

第一个页目录的起始地址在哪儿

这里面其实已经看到了

它是一个特殊的寄存器称之为CR3寄存器

这个CR3寄存器来保存了

页目录的表的起始地址

那为什么只要一个CR3就够了呢

因为它是二级页表二级页表里面的

所以我们只需要一个CR3寄存器就够了

好我们前面已经把页表的映射机制

给大家做了一个介绍

接下来我们可以看看对于页表

或者页目录表里面的一项

到底包含了哪些关键信息作为一个理解

这里面列出来了页目录表项和页表项

它的一个大致的属性的表示

一共是32位一个页表项

和一个页目录表项是32位

我们这里面除了关注它

所谓的基址记录之外

还需要关注里面的一些属性位

因为基址就是存放的无论是页的基址

还是页表的基址

物理页的基址或者页表的基址都是20位

还有剩下12位形成32位这么一项

那么那12位其实很重要的信息

就是低12位低12位存了一些属性

就你将来访问页的一些属性

比如说这个页是否是只读的

用R/W位来表示

这个页是内核态访问的还是用户态能访问的

那么有一个U/S 是user还是supervisor

就是属于一般用户访问的

还是超级用户访问的

实际上就对应我们的用户态和内核态

那么其实和我们前面说的

段的安全保护机制有异曲同工之妙

只是说基于段的保护机制它更加灵活

它可以表示一个可大可小的一块区域

到底是属于用户态还是内核态

它的特权级是ring 0 ring 1

ring 2 ring 3它有四级

而对于页表而言它就两级

就是用户态和内核态当然这也够了

对我们前面讲到操作系统来说

你只有两级是完全够的

还有其它一些位我们讲内存管理的时候

会再逐步展开

它这些位可以有效的用来

做内存的一些有效的管理

那我们假定你建立好什么建立好页表

页目录表都建好了

这是我们ucore操作系统来建立的

建好之后我们要使能页机制

这和我们前面说的段机制是一样的

保护模式一样的

你需要对一个特定的寄存器

这里面是CR0的一个PG寄存器

它最高位 31位

前面是最低位最低位来enable保护模式

那么我们最高位31位

CR0的寄存器 31位如果给它置1的话

就代表启动了页机制

这就是这个特殊的寄存器

它是一个需要在内核态访问的一个寄存器

好前面我给大家介绍一下CPU硬件的

一个对内存的页表的机制建立的过程

它的访问过程

那我们操作系统怎么来使这个能正常运作

我们ucore其实为此做了一系列的工作

比如说我们前面说要分配页

因为我们前面已经讲到了

我们的内核以及ucore已经有一套

基于连续内生存的一个

内存分配的一套算法和机制

从而可以说我们分配一个页

分配一个4K来作为一个页目录的一个table

然后再把这个里面的page给清掉

清掉是为了做初始化

然后你需要对除了这个页目录表之外

还要建立对应的页表

来对一定空间的内存来建立对应关系

为此你需要在页目录表和页表里面

填好相应的项

那我们这里面建立的映射关系是什么

0xC0000000到0xF8000000

这块空间会映射到物理地址的

0x00000000到0x38000000这么一个地址

那这个其实是可以看出来

它们的偏移值就是0xC0000000的偏移值

虚拟地址比物理地址要多出来0xC0000000

那实际上映射的是内核空间

使得我们内核态的代码和数据

都是在0xC0000000这个之上的一个空间

那这个和我们在lab2时候

你可以看到它在编译链接

形成最后的uCore代码的时候

它链接时候用的起始地址就是0xC0000000

这是对应起来的

同时我们又建立了一个很奇怪的一个映射

就是0x00000000-0x00100000虚拟地址

映射到0x00000000-0x00100000这物理地址

这是一个对等映射

按道理说我们建好这个映射就OK了

为什么还要建立一个对等映射

且在enable了

把这个CR0的31位给它置1之后

enable了的页机制之后

我们再次更新了GDT

为什么要update GDT

是由于我们的页机制已经起作用了

页机制来完成从0xC0000000到0的映射

就是0xC0000000是虚拟地址 0是物理地址

这个映射靠页机制完成了

那我们段机制只需要完成对等映射就OK

就0-0映射就行了

那我们说update GDT之后

其实就是让我们段机制映射的关系

从之前的不是那种对等映射变成对等映射

但变成对等映射之后它又做了一次取消操作

就刚才这里面会有一步

就是完成从0到0x100000的映射

这里面又取消了0到0x100000的映射

这个映射是页机制的映射

把它取消了有点多余好像感觉

做了一步又取消了为什么

大家思考一下作为一个练习

大家想一想怎么来解决

那所有的这些代码

是放在pmm.c里面来实现的

这是ucore里面的一个文件

专门属于管理页表机制的

假设我们这个页表建立好了

接下来我可能需要你再去完成

再完成一个特定的内存的映射

这时候你就可能需要去对

这个PTE PDE来做一个处理

甚至还会涉及说

如果我们这个内存它属于

另一块空间我们现在页表

我们现在页表它没有对应到

所以说我们需要干什么建立一个新的页表

这就是我们的一个作业我们练习

你尝试着给你一个虚拟地址和物理地址

你尝试着能不能分配一个对应的页表项

使得虚拟地址能够正确的

映射到对等的物理地址

这就是我们说在页表里面来建立

页的这个映射关系的这么一个练习

作为我们这个lab2的一个主要的完成部分

需要大家去完成

好我们最后再看一下对于X86而言

它确实比较全面

既包含了段机制也包含了页机制

虽然我们这里面弱化了段机制这个映射关系

但其实通过这个段和页一个组合

我们可以形成一个更灵活的组织方式

当然在现在操作系统里面主要

还是用页机制来完成了整个的映射

段机制它的作用更多的体现在安全管理上面

那其实即使在安全管理上面

段和页也有一定的重复

在X86里面有一定的重复

所以说可以看到我们会根据

具体的运用情况来了解

好这是列出来在intel

那个系统软件软件开发手册里面

对应的章节

它对页表机制有更深入的讲解

站在硬件的角度

怎么去便于软件开发人员

去理解这个页机制

可以看一看

好那这就是这一讲的内容谢谢大家

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

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-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

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-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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-1.7 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

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-3.2 系统启动流程

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-3.3 中断、异常和系统调用比较

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-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

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-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

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-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

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-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

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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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-9.4 Belady现象和局部置换算法比较

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-9.6 缺页率置换算法

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-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

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-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

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-10.5 页换入换出机制

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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

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-11.6 线程的概念

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第十二讲进程控制

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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

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-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

--18.1 信号量

-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

--18.4 哲学家就餐问题

-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

--19.3 信号量设计实现

-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

--视频

-第二十三讲 I/O子系统--23.1 I/O特点

-23.2 I/O结构

--816C80A0F5E3B8809C33DC5901307461

-第二十三讲 I/O子系统--23.2 I/O结构

-23.3 I/O数据传输

--C58221E14388B9DB9C33DC5901307461

-第二十三讲 I/O子系统--23.3 I/O数据传输

-23.4 磁盘调度

--567A3F1FCBFB3F4C9C33DC5901307461

-第二十三讲 I/O子系统--23.4 磁盘调度

-23.5 磁盘缓存

--C327536B80D25CE79C33DC5901307461

-第二十三讲 I/O子系统--23.5 磁盘缓存

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