【Linux】重谈页表寻址|深入理解物理内存和页表的映射|页框|CPU|CR3|MMU

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前言

页框 

页表 

​编辑 寻址过程

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前言

每个进程都有自己的内存地址空间，该空间其实都是虚拟地址，要借助页表来映射到实际物理内存地址中。而真实的页表是如何的呢？

之前介绍过OS和磁盘文件进行IO的基本单位是4kb = 八个扇区；而OS对内存的管理工作基本单位也是4kb;

OS进程内存管理，不是以字节为单位，而是以内存卡为单位，默认大小是4kb；

页框 

页框（Page Frame）：

        是物理内存中的固定大小的块，通常为4KB。在物理内存中，页框是用于存储实际数据的最小单元。假设内存大小为4GB,也就能划分出1024*1024个页框。当进程通过页表来访问物理地址时，其本质就是找到页框的地址。 

操作系统对于物理内存的管理变成了对页框块的管理；一个页框是什么呢？❓

在Linux内核中，使用struct page结构来描述内存中的每一页框。这个结构体定义在内核头文件include/linux/mm_types.h中。该结构体通常有以下字段：flags:标志位，表示页面的各种状态；

• mapping:指向该页框所属的地址空间
• index:该页框在地址空间中的偏移量
• _maocount:记录该页框到页表条目数
• _refcount:页面引用计数。表示有多少用户正在使用该页框

struct page {
    void *address;          // 物理地址
    unsigned long flags;    // 页面标志（例如是否在使用、是否脏等）
    struct page *next;      // 指向下一个页面的指针（可能用于链表）
    unsigned int usage;     // 页面使用计数
    unsigned int refcount;  // 引用计数
    unsigned int type;      // 页面类型
    unsigned int index;     // 页面索引
};

页表 

页表是用于存储物理内存与虚拟内存地址之间的映射关系的结构。每个进程都有属于自己的页表。页表是由页目录和页表项组成的。

每个虚拟地址都是 32个比特位，即 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000；

        前面10个比特位存储的是页目录；

        中间10是二级页表；

        最后剩下的12个比特位作为偏移量（对应着二级页表指向页框起始地址处后进行偏移）

寻址如下：

• 虚拟地址的前10个比特位在页目录当中进行查找，找到对应的页表（页目录用于索引相应的页表），2^10字节 = 1KB，存储页目录所需的内存是 1KB，且页目录只有一张；
• 再选择虚拟地址中间的10个比特位在对应的页表当中进行查找，找到物理内存中对应页框的起始地址，每张页表的大小也是 2^10字节 = 1KB，页表是有多张的；
• 最后将虚拟地址中剩下的12个比特位作为偏移量从对应页框的起始地址处向后进行偏移，找到物理内存中某一个对应的字节数据，2^12字节 = 4KB，与物理内存的页框对应

 寻址过程

MMU 接收到一个虚拟地址。

这个虚拟地址被分成三个部分：页目录索引、页表索引和页内偏移量。

MMU 使用 CR3 中的值找到页目录表的物理地址，通过页目录索引查找页目录表中的对应项，得到指向页表的物理地址，使用页表索引查找页表中的对应项，得到指向页框的物理起始地址，将页框的物理地址与页内偏移量组合，形成最终的物理地址。

实现了虚拟内存到物理内存的有效转换。