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1 《Undocumented Windows 2000 Secrets》翻譯 --- 第四章( 四 )

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圖 4-1 給出了 i386 內(nèi)存的分段模型，同時說明了邏輯地址和線性地址的關(guān)系 。為了更清晰些，我將描述符表（ descriptor table ）和段（ segment ）畫的比較小 。實際上， 32 位的操作系統(tǒng)通常采用 圖 4-2 所示的分段方案，這就是所謂的平滑內(nèi)存模型（ flat memory model ），它采用一個 4GB 大小的段 。這種方案的不足是，描述符表變成了段的一部分，從而可以被有足夠權(quán)限的代碼訪問到 。
typedef LARGE_INTEGER PHYSICAL_ADDRESS, *PPHYSICAL_ADDRESS;
typedef union _LARGE_INTEGER
{
struct
{
ULONG LowPart;
LONG HighPart;
};
LONGLONG QuadPart;
} LARGE_INTEGER, *PLARGE_INTEGER;
列表 4-1. PHYSICAL_ADDRESS 和 LARGE_INTEGER 結(jié)構(gòu)的定義
圖 4-1. i386 的內(nèi)存分段
圖 4-2 給出的內(nèi)存模型被 Windows 2000 作為標準的代碼、數(shù)據(jù)和堆棧段，這意味著，所有的邏輯地址將包括 CS 、 DS 、 ES 和 SS 段寄存器 。FS 和 GS 的處理方式有所不同 。Windows 2000 并不使用 GS 寄存器，而 FS 寄存器被專門用來保存位于線性地址空間中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)域的基地址 。因此， FS 的基地址遠大于 0 ，其大小不會超過 4GB。有趣的是， Windows 2000 為用戶模式和內(nèi)核模式分別維護兩個不同的 FS 段 。稍后我們將詳細討論這一問題 。
圖 4-2. 平滑的 4GB 內(nèi)存段
在 圖 4-1 和 圖 4-2 中，邏輯地址的 selector 指向描述符表，該描述符表由名為 GDTR 的寄存器指定 。這是 CPU 的全局描述符表寄存器，該寄存器可由操作系統(tǒng)設(shè)置為任何適當(dāng)?shù)木€性地址 。GDT （全局描述符表）的第一項是保留的，該項對應(yīng)的 selector 叫做“ null segment selector ” 。Windows 2000 將其 GDT 保存在 0x80036000。GDT 可容納多達 8,19264 位的條目，即其最大值為 64KB。Windows 2000 僅使用開始的 128 個項，并將 GDT 的大小限制為 1,024 字節(jié) 。隨 GDT 一起， i386 CPU 還提供了一個本地描述符表（ Local Descriptor Table ， LDT ）和一個中斷描述符表（ Interrupt Descriptor Table ， IDT ），這兩個表的起始地址分別保存在 LDTR 和 IDTR 這兩個寄存器中 。GDTR 和 IDTR 的值是唯一的， CPU 執(zhí)行的每個任務(wù)都采用相同的值，而 LDTR 的值則是任務(wù)相關(guān)的， LDTR 可容納一個 16 位的 selector。
圖 4-3 示范了復(fù)雜的線性地址與物理地址的轉(zhuǎn)換機制，如果在 4KB 分頁模式下，并允許請求式分頁， i386 的內(nèi)存管理單元就會采用此種轉(zhuǎn)換機制 。圖中左上角的頁目錄基址寄存器（ Page-Directory Base Register ， PDBR ）包含頁目錄的物理地址 。PDBR 由 i386 的 CR3 寄存器保存 。僅用該寄存器的高 20 位來尋址 。因此，頁目錄也是以頁為邊界的 。PDBR 的剩余位作為標志位或保留以便將來擴展使用 。頁目錄占用一個完整的 4KB 頁，由包含 1024 個頁目錄項（ Page-Directory Entry ）的數(shù)組構(gòu)成，每個頁目錄項均為 32 位 。和 PDBR 類似，每個 PDE 被劃分為一個 20 位的頁幀計數(shù)器（ Page-Frame Number ， PFN ）和一個標志數(shù)組 。PFN 用來尋址頁表 。每個頁表都是按頁對齊的，包含 1024 個頁表項（ Page-Table Entry ， PTE ） 。每個 PTE 的高 20 位作為一個指針指向一個 4KB 的數(shù)據(jù)頁 。通過將線性地址分為三段來實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換：高 10 位用來選擇一個 PDE （屬于頁目錄），接下來的 10 個位選擇前面所選的 PDE 中的某個 PTE ，最后剩下的 12 個位用來指定在數(shù)據(jù)頁中的偏移量，該數(shù)據(jù)頁由前面所選的 PTE 確定 。
圖 4-3. 兩層間接模型（采用 4KB 頁）
在 4MB 分頁模式下，事情就變得很簡單了，這是因為消除了一個間接層，如 圖 4-4 所示 。此時， PDBR 仍然指向頁目錄，但僅使用了每個 PDE 的高 10 位，這是因為目標地址采用 4MB 對齊 。因為沒有使用頁表，這個地址同樣也是 4MB 數(shù)據(jù)頁的基地址 。所以，此時的線性地址只包含兩個部分： 10 個位用來選擇 PDE ，其余的 22 位作為偏移量 。4MB 內(nèi)存方案的開銷沒有 4KB 那么大，這是因為僅頁目錄需要附加的內(nèi)存 。這 1024 個 PDE 中的每個都可尋址一個 4MB 頁 。這足夠覆蓋整個 4GB 地址空間了 。所以， 4MB 分頁的優(yōu)勢就是可以降低內(nèi)存管理的開銷，但結(jié)果就是尋址粒度較大 。

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