8、计算机内存分页与缓存机制详解

计算机内存分页与缓存机制详解

1. 硬件分页基础

在硬件分页中，页表中间 10 位（即 Table 字段）的值范围是从 0 到 0x03f（十进制 0 到 63），这意味着页表中只有前 64 个条目是有效的，其余 960 个条目填充为零。

假设一个进程需要读取线性地址 0x20021406 处的字节，分页单元会按以下步骤处理：
1. 使用 Directory 字段 0x80 选择页目录中的条目 0x80，该条目指向与进程页面相关的页表。
2. 使用 Table 字段 0x21 选择页表中的条目 0x21，该条目指向包含所需页面的页框。
3. 最后，使用 Offset 字段 0x406 选择所需页框中偏移量为 0x406 处的字节。

如果页表中条目 0x21 的 Present 标志被清除，则表示该页面不在主内存中，此时分页单元在转换线性地址时会发出页面错误异常。当进程尝试访问 0x20000000 到 0x2003ffff 范围之外的线性地址时，也会发出相同的异常，因为未分配给该进程的页表条目都填充为零，它们的 Present 标志也都被清除。

2. 物理地址扩展（PAE）分页机制

处理器支持的 RAM 数量受连接到地址总线的地址引脚数量限制。早期从 80386 到奔腾的英特尔处理器使用 32 位物理地址，理论上此类系统最多可安装 4GB 的 RAM，但实际上由于用户模式进程的线性地址空间需求，内核不能直接寻址超过 1GB 的 RAM。

然而，需要同时运行成百上千个进程的大型服务器需要超过 4GB 的 RAM，这促使英特尔将处理器的地址引脚数量从 32 增加到 36。从奔腾 Pro 开始