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一 Windows 2000內(nèi)存篇 分頁機制介紹

云知道

基本概念
Windows 2000 使用基于分頁機制的虛擬內(nèi)存 。每個進程有4GB的虛擬地址空間 。基于分頁機制，這4GB地址空間的一些部分被映射了物理內(nèi)存，一些部分映射硬盤上的交換文件，一些部分什么也沒有映射 。程序中使用的都是4GB地址空間中的虛擬地址 。而訪問物理內(nèi)存，需要使用物理地址 。
下面我們看看什么是物理地址，什么是虛擬地址 。
物理地址 (physical address): 放在尋址總線上的地址 。放在尋址總線上，如果是讀，電路根據(jù)這個地址每位的值就將相應(yīng)地址的物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線中傳輸 。如果是寫，電路根據(jù)這個地址每位的值就將相應(yīng)地址的物理內(nèi)存中放入數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容 。物理內(nèi)存是以字節(jié)(8位)為單位編址的 。
虛擬地址 (virtual address): 4G虛擬地址空間中的地址，程序中使用的都是虛擬地址 。
如果CPU寄存器中的分頁標志位被設(shè)置，那么執(zhí)行內(nèi)存操作的機器指令時，CPU會自動根據(jù)頁目錄和頁表中的信息，把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，完成該指令 。比如 mov eax,004227b8h，這是把地址004227b8h處的值賦給寄存器的匯編代碼，004227b8這個地址就是虛擬址 。CPU在執(zhí)行這行代碼時，發(fā)現(xiàn)寄存器中的分頁標志位已經(jīng)被設(shè)定，就自動完成虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換，使用物理地址取出值，完成指令 。對于Intel CPU 來說，分頁標志位是寄存器CR0的第31位，為1表示使用分頁，為0表示不使用分頁 。對于初始化之后的 Win2k 我們觀察CR0，發(fā)現(xiàn)第31位為1 。表明Win2k是使用分頁的 。
【一 Windows 2000內(nèi)存篇 分頁機制介紹】 使用了分頁機制之后，4G的地址空間被分成了固定大小的頁，每一頁或者被映射到物理內(nèi)存，或者被映射到硬盤上的交換文件中，或者沒有映射任何東西 。對于一般程序來說，4G的地址空間，只有一小部分映射了物理內(nèi)存，大片大片的部分是沒有映射任何東西 。物理內(nèi)存也被分頁，來映射地址空間 。對于32bit的Win2k，頁的大小是4K字節(jié) 。CPU用來把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址的信息存放在叫做頁目錄和頁表的結(jié)構(gòu)里 。
物理內(nèi)存分頁，一個物理頁的大小為4K字節(jié)，第0個物理頁從物理地址 0x00000000 處開始 。由于頁的大小為4KB，就是0x1000字節(jié)，所以第1頁從物理地址 0x00001000處開始 。第2頁從物理地址0x00002000處開始 ?？梢钥吹接捎陧摰拇笮∈?KB，所以只需要32bit的地址中高20bit來尋址物理頁 。
頁表，一個頁表的大小為4K字節(jié)，放在一個物理頁中 。由1024個4字節(jié)的頁表項組成 。頁表項的大小為4個字節(jié)(32bit)，所以一個頁表中有1024個頁表項 。頁表中的每一項的內(nèi)容（每項4個字節(jié),32bit）高20bit用來放一個物理頁的物理地址，低12bit放著一些標志 。
頁目錄，一個頁目錄大小為4K字節(jié)，放在一個物理頁中 。由1024個4字節(jié)的頁目錄項組成 。頁目錄項的大小為4個字節(jié)(32bit)，所以一個頁目錄中有1024個頁目錄項 。頁目錄中的每一項的內(nèi)容（每項4個字節(jié)）高20bit用來放一個頁表（頁表放在一個物理頁中）的物理地址，低12bit放著一些標志 。
對于x86系統(tǒng)，頁目錄的物理地址放在CPU的CR3寄存器中 。
CPU把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址：
一個虛擬地址，大小4個字節(jié)(32bit)，包含著找到物理地址的信息，分為3個部分：第22位到第31位這10位（最高10位）是頁目錄中的索引，第12位到第21位這10位是頁表中的索引，第0位到第11位這12位（低12位）是頁內(nèi)偏移 。對于一個要轉(zhuǎn)換成物理地址的虛擬地址，CPU首先根據(jù)CR3中的值，找到頁目錄所在的物理頁 。然后根據(jù)虛擬地址的第22位到第31位這10位（最高的10bit)的值作為索引，找到相應(yīng)的頁目錄項(PDE,page Directory entry),頁目錄項中有這個虛擬地址所對應(yīng)頁表的物理地址 。有了頁表的物理地址，根據(jù)虛擬地址的第12位到第21位這10位的值作為索引，找到該頁表中相應(yīng)的頁表項(PTE,page table entry),頁表項中就有這個虛擬地址所對應(yīng)物理頁的物理地址 。最后用虛擬地址的最低12位，也就是頁內(nèi)偏移，加上這個物理頁的物理地址，就得到了該虛擬地址所對應(yīng)的物理地址 。

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