微机原理-第5版(周荷琴)-第13章 (3)

13.3保护模式内存管理第13章32位微型机中国科学技术大学《微型计算机原理与接口技术》第5版第13章32位微型机的基本工作原理中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机13.3保护模式下的内存管理中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机保护模式内存管理在实模式下，80386的段内存管理与8086相同，每个段长度都是64KB，用段基址+偏移量求物理地址。只能访问1MB内存空间。在保护模式下，采用全新的分段分页技术管理内存，能寻址4GB地址空间。采用可变长的分段技术，每段大小：1～232字节(4GB)。分段时还对每段赋予属性和保护信息，进行4级保护。采用分页管理技术，与分段技术相结合，使虚拟存储空间大大超过物理地址，可达到64TB。多任务系统中有了分页功能，还可明显地提高存取数据的效率，并有效利用内存碎片。下面介绍保护模式下的分段分页内存管理技术，主要以80386为例进行讨论。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机13.3保护模式下的内存管理13.3.1段内存管理技术13.3.2分页内存管理技术中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机13.3.1段内存管理技术1.逻辑地址、线性地址和物理地址逻辑地址LogicAddress对段内存空间寻址的地址称为逻辑地址，也叫虚拟地址，逻辑地址可表示为“段选择子：偏移地址”。段选择子：16位，存于CS，DS等段寄存器中，通过它能从GDT或LDT中找到64位段描述符，获得段的全部信息。偏移地址：32位，即有效地址EA，计算方法偏移地址＝基址＋变址比例因子＋位移量•基址：存放于32位通用寄存器中•变址：存放于除ESP外的32位通用寄存器中•比例因子：1，2，4，8•位移量：8位或32位立即数中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机1.逻辑地址、线性地址和物理地址物理地址PhysicalAddress物理地址是指内存芯片阵列中每个阵列所对应的唯一的地址，32位地址线可直接寻址232＝4GB内存单元。线性地址LinearAddress是沟通逻辑地址与物理地址的桥梁，32位CPU的分段部件将逻辑地址空间转换成32位的线性地址。方法：段选择子中的Index指向GDT或LDT中的一个段描述符，从中可读出线性基地址，加到32位偏移地址上，即形成线性地址。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机1.逻辑地址、线性地址和物理地址地址转换分段部件先将逻辑地址线性地址。若分页功能禁止，则线性地址就是物理地址；如允许分页，则分页部件再将线性地址转换成物理地址。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机2.段描述符共有三类段描述符，用段描述符中的b12位S来区分:S=1，内存段描述符，对应段为代码段、数据段或堆栈段。S=0，系统段描述符和门描述符。内存段描述符内存段描述符都是8字节，分为：段基地址(BaseAddress)，段限长(Limit)和段属性(Attribute)等3部分。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机1）段基地址基址是32位线性地址A31~A0，指出段的起始位置，可以是32位线性地址(4GB)中的任一个地址。为与80286兼容，在段描述符表中，32位基址分3处存放。2）段限长限长为20位，决定段的可寻址范围，存于2处，也为与80286兼容。要与b23位G结合计算实际限长：G=0，限长高12位为全0；G=1，段限长＝描述符中的20位限长×1000H＋FFFH。3）段内存属性除G，S外，尚有多种属性，尤其是4位的type属性是程序员必须熟悉的。详见课本。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机系统段描述符和门描述符系统段描述符描述有关80386操作系统的表和任务等信息。任务状态段TSS和局部描述符表LDT都看作系统段。1）任务状态段TSS每个任务都有TSS，用在任务切换时保存任务的环境。低位部分由CPU定义，对应一个任务的各种信息，存放各种寄存器值，占用104（0~67H）字节。高位部分由OS创建任务时定义。CPU通过任务状态寄存器TR和TSS描述符来定位内存中的TSS段。8字节的TSS描述符存放在GDT中，定义了任务状态段在内存中的基址、限长和类型。格式中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机2）门(gate)是一种转换机构。当程序的控制由一个代码段（源代码段）转到另一个目标代码段时，通过门来实现。门设置在目标代码段入口处，控制对该目标代码段访问的权限。门描述符为8字节，格式：4、5字节是门描述符属性，其中TYPE定义门的类型和长度（16/32位）。调用门，段选择子和偏移量指向要调用子程序的目标代码起始地址；任务门只有段选择子，指向GDT中的一个TSS描述符。中断门和陷阱门，选择子和偏移量构成中断处理子程序或陷阱处理程序的入口地址。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机13.3保护模式下的内存管理13.3.1段内存管理技术13.3.2分页内存管理技术中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机13.3.2分页内存管理技术分页内存管理以Page(页)为单位，将内存空间映射到磁盘空间，便于实现虚拟存储器管理，还能提高存取效率，有效利用内存碎片。是80386对8086的主要功能扩充。80386以4KB为1页，4GB内存分成220个页，在被4KB整除的地址（后3位=000H）处分页。分段技术将逻辑地址线性地址CR0的PE=0禁止分页时，线性地址即物理地址；CR0的PE=1允许分页时，分页部件把将线性地址物理地址。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机1.页目录与页表80386采用页目录和页表两层表实现分页管理。页表项共有220=1024×1024个，每项4字节。如果只是一级页表，要占4MB内存。采用两级页表,每级10位，2张表只需占(1024项×4字节/项)×2＝1024×8＝8KB内存空间。32位线性地址32位物理地址中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机页目录表含210＝1024个页目录项，每项4字节。页表含1024个页表项，每项4字节对应4KB(1页)内存。每个页目录项最多可以对应1024个页表项。故整个页目录最多可映射物理地址空间为1024页目录项×1024页表项/页目录项×4KB/页表项＝4GB分页机制将32位线性地址分成3部分：1)高10位(b31～22)作页目录索引，指向210=1024个页目录项中的1项。页目录项每项长32位，高20位是页表基址，低12位为其属性。2)中间10位(b21～12)作页表索引，指向1024个页表项中的1项。页表项每项长度也是32位，高20位对应物理地址的高20位，也称页帧(PageFrame)，低12位为其属性。3)低12位(b11～0)作页面偏移地址，即物理地址的低12位。利用两层表和CR3寄存器，就可从32位线性地址求得32位物理地址。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机2.页目录项和页表项格式即2张表里的内容，都是4字节，格式基本相同：高20位：页帧地址1页物理地址的起始基地址，也就是物理地址的高20位低12位：属性（对各属性位的讨论请参看课本）中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机3.举例说明线性地址转换成物理地址的过程设系统的线性地址为12345678H，CR3＝00008000H，求对应的物理地址。如图，将32位线地址12345678H分成3部分：最高10位0001001000B＝048H，作页目录索引号；中间10位1101000101B＝345H，作页表索引；最后12位678H，直接作物理地址的低12位。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机①查询CR3，得CR3＝00008000H，作页目录表物理基址。②取线性地址高10位048H，作为页目录索引号。每个目录项4字节，要将索引号乘以4，即048H×4＝120H，才是页目录项的偏移地址。③求页目录项始址的物理地址。其值＝CR3中的基址＋页目录项的偏址＝00008000H＋120H＝00008120H。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机④查页目录项的内容。设（08120H）＝00010021H，其中高20位为00010H，它是页表基址的高20位。低12位为属性=021H。⑤线性地址的中间10位=345H，是页表索引号。同样，页表项长4字节，该页表项的偏址为345H4＝0D14H。⑥该页表项的物理地址=基地址＋偏移量＝00010000H＋0D14H＝00010D14H。中国科学技术大学13.3保护模式内存管理第13章32位机⑦查页表项得(010D14H)＝54321021H。其高20位54321H为页帧地址，即该页的基址为54321000H。后12位为属性。⑧求物理地址＝页帧＋线性地址低12位＝54321000H＋678H＝54321678H。至此，从线性地址求得了物理地址。在保护模式下，对于PentiumPro及以上的处理器，通过物理地址扩展后可以访问36位即64GB的物理地址空间，每页大小可以是4KB、2MB或4MB。