ULK Chapter2 总结

January 9, 2017 [ ]

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January 9, 2017

本章的知识结构如下

地址转换过程

--Logical Address--> [Segment Unit] --Linear Address--> [Paging Unit] --Physical Address-->

谈到内存地址，具体来讲有三种不同类型的地址，逻辑地址，线性地址，物理地址。

逻辑地址对应内存的分段
线性地址对应分页
物理地址对应到硬件芯片上的内存单元的地址

MMU通过Segment Unit与Paging Unit两个硬件电路将一个逻辑地址转为物理地址，具体转换过程如上代码段所示

下面对整个转换过程进行概述

段选择符

 15                            0
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
+                         +T+ R +
+          index          +I+ P +
+                         + + L +
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

[0-1]RPL: 请求者特权级

[2]TI: Table Indicator, 指明是从GDT还是LDT中取出段描述符(Segment Descriptor)

[3-15]index:用来指定从GDT中第index项取出Segment Descriptor

段描述符

对段描述符的解释参考 [不是科普向?] RE: 从零开始的操作系统开发第二集中相应内容即可

Logical Addr The content is recoverd from Wordpress Blog, for more details please check HERE> Linear Addr

逻辑地址的高16位为段选择符(Segment Selector)其余32位(或者64位)为偏移量(Offset)

流程如下

检查TI确定是从GDT(TI=0)还是从LDT(TI =1)中选择段描述符
从Segment Selector的index字段计算出段描述符的地址，计算方法 index * 8 (一个Segment Descriptor大小为8) 并与gdtr/ldtr中的内容相加得到Segment Descriptor
把逻辑地址的offset字段与Segment Descriptor中的Base字段相加，得到Linear Address

而Linux中的分段只是一个兼容性考虑，分段和分页的作用是重复的，分页能以更精细的粒度对内存进行管理，因而在Linux中分页是主要的手段，Linux分段中的用户代码段，数据段，内核代码段，数据段，都是以Base = 0 ，因而Linux下的逻辑地址和线性地址是一致的，（因为Base = 0 所以 Linear Address = Base + Offset = Offset) 即逻辑地址的偏移量和线性地址的值是相等的

Linear Addr The content is recoverd from Wordpress Blog, for more details please check HERE> Physical Addr

至此我们已经得到了线性地址，下面需要将线性地址通过分页单元转为物理地址，下面以基本的分页模型对分页进行解释

80×86的常规分页结构为

页目录页表页框

如图

如图，Page Directory和PageTable的结构类似，都是由一些flag bit加上Field字段，Field字段表示页框的物理地址，如果是一个PageTable的话，那么这个页框就含有一页数据，Page Directory的话，页框内含有的是一个页的PageTable(页表的大小就是一个PageTable)

寻址的方式如下，首先根据CR3寄存器的内容，找到PageDirectory入口的物理地址，然后加上Linear Addr中的DIRECTORY,找到对应的PDE项，并根据此内容找到对应的Page Table的物理地址，并根据Linear Addr中的TABLE找到相应的Page即页框的物理地址，最后将此物理地址加上Linear Addr的OFFSET字段,最后得到物理地址

而在64位系统上，如果依旧采用这种最基本的分页结构的话，那么假设页框大小为4K，所以OFFSET位依旧为12bit,然后其余的52bit可以分给PT(Page Table的简称，下同)和PD(Page Directory的简称，下同)，这样就会导致我们每个进程的页目录和页表变得非常非常多，超过256000项

因为这个原因，所以对于64位处理器的分页系统，都使用了更多级别的分页级别，如x86_64使用48位寻址，分页为4级线性地址分级为 9 + 9 + 9 + 9 + 12 如下图所示

原理都是一样的，只不过分页级别变多了

以上就是Logical Address The content is recoverd from Wordpress Blog, for more details please check HERE> Physical Address的转换的大致流程

缓存技术

因为CPU Register的读取和内存的读取速度相差甚大，为了缩小这个差距，避免CPU等待过长的时间，使用缓存技术来将内存中的部分数据缓存在高速静态RAM(SRAM)里，即为高速缓存技术(Hardware Cache)

此外，将Logical Address转换为Physical Address也需要多次进行内存的读取（查找各级页表），为了加速此过程，引入了转换后援缓冲器Translation Lookaside Buffer(TLB)技术

Hardware Cache

对高速缓存的原理描述超出本文的范围，这里仅对高速缓存的读写方式进行一定说明:

在更新内存数据的时候，是同时更新高速缓存和内存的数据，还是仅仅更新缓存的数据，根据这个有两种不同的写策略

通写(write-through): 既写RAM也写缓存
回写(write-back): 只写缓存，只有当需要FLUSH的时候才更新RAM

操作系统可以针对不同的页框配置不同的告诉缓存管理策略，通过PCD位和PWT位

PCD表示是否对此页框启用告诉缓存
PWT表示是否采用write-through的策略

在Linux下，对全部的页框都启用告诉缓存，并且都采用write-back策略

TLB（快表）

TLB的作用是将Logical Address对应的Linear Address缓存起来，以加速对内存的访问

但是这个缓存是有失效期的，最明显的一个失效就是当PD都被替换了的时候，也就是cr3的寄存器内容更新了，硬件上，当cr3更新的时候，TLB的内容会自动失效

如何能够更好的利用TLB来加速访问是对Linux性能影响十分重要的一部分，为了避免多处理器系统上无用的TLB刷新，内核使用一种叫做Lazy TLB的技术，关于Lazy TLB技术的具体实现之后补充

不同的分页方式

上述已经对常规分页进行举例了，下面对不同的几种分页方式进行简单整理

扩展分页

80×86模型的另一种分页模式，页框大小为4MB而不是4KB，用于把大段连续的线性地址转换成相应的物理地址，因为没有了PT只有PD，节省了内存，同时PT—>Phy而不是PT–>PD–>Phy，少了一级转换效率也相应提高,

物理地址扩展(PAE)分页机制

早些时候，内存容量都很少，而当需要大内存(>4G)的服务器&程序出现的时候，上述的寻址方式就不能使用了，因而Intel将内存地址位数从32 –>36位（即将引脚从32个扩展到36个) 而之前的所有的地址转换都是从32位Linear Address转换到32位Physical Address的，需要有一种新的转换机制，将32bit linear addr->36bit phy addr，这种机制即为PAE机制，详情可以参考Intel手册 Vol3A相应的内容

Linux中的实现

对于Linux的具体处理将在之后在整理

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