4、深入探究64位模式下的内存映射、寄存器与基础数学运算

深入探究64位模式下的内存映射、寄存器与基础数学运算

1. 64位模式下的内存映射

在x86 - 64架构中，虚拟地址到物理地址的转换是一个关键的过程。转换所需的数据一部分存储在CPU中，一部分存储在内存里。

1.1 内存映射寄存器

CPU设计者将这个寄存器命名为“控制寄存器3”，即CR3。简单来说，CR3是指向内存中一组分层表的顶级指针，这些表定义了从虚拟地址（程序看到的地址）到物理地址的转换。在操作系统内核中，会准备好初始的转换表层次结构，并将CR3填充为该层次结构中顶级表的地址，这个表被称为“页映射级别4”（PML4）。当CPU切换到使用内存映射时，会通过CR3获取PML4的地址，并保留该地址供后续使用。

1.2 页映射级别4（PML4）

虚拟地址可以被拆分为如下字段：
| 位范围 | 含义 |
| ---- | ---- |
| 63 - 48 | 未使用 |
| 47 - 39 | PML4索引 |
| 38 - 30 | 页目录指针索引 |
| 29 - 21 | 页目录索引 |
| 20 - 12 | 页表索引 |
| 11 - 0 | 页偏移 |

其中，最高的16位被忽略，接下来的四个9位字段会进行转换，最后是12位的页偏移。内存页大小为$2^{12}=4096$字节，所以12位的偏移是合理的。而9位字段允许在一个内存页中存储每种类型的映射表，因为地址是8字节，一个页可以存储$512 = 2^9$个地址。

虚拟地址的47 - 39位作为PML4表的索引。PML4表本质上是一个包含512个指针的数组，