好 那我们接下来再看一下
X86内存管理单元MMU
那这一块为什么要跟大家讲这个
是在于我们原理课讲到
我们有对连续地址空间的管理和
对离散地址空间的管理
那么离散地址空间的管理需要
所谓的一种段机制和页机制
那么在X86里面正好
这种CPU它两种机制都存在
而且是可以共存的
可以实现所谓的段页式的一种管理
那我们可以看看X86
怎么来有效的来建立这个段表 页表的
那我们可以知道需要去
进一步了解页表或者段表的一些格式
以及如何操作页表项
那么有了这些知识之后我们就可以
在我们的硬件里面建立一套所谓的映射机制
把我们段机制和页机制都建立起来
完成对这种更大的一个空间的一个管理
以及对离散空间的一个管理
那么它的管理效率会更加高
那这也是我们说CPU很重要的一个功能
那这一块我们会讲解有关页表的一些信息
以及怎么去建立好段表 页表
以及怎么去操作页表项
这是我们这一章讲的内容
那么它和我们的lab2
要完成的练习是一一对应的
首先我们看一下这个段机制
其实在lab1里面我们已经接触到段机制
只是我们没把重点放在那个地方去讲解
而是把它留在lab2来讲解
因为段和页它都属于
我们的内存的管理的一套体系
我们可以看着在X86 MMU里面
它首先是有一套段机制
这个段机制包含了
比较多的一些功能的一些部件
第一个是有一系列的寄存器
我们说CS ES一直到GS
第二个有段描述符
那么寄存器里面的一些信息它的前面的
最高端的十几位它是专门用来作为一个index
作为一个索引来找到全局描述符表里面的一个项
全局描述符表就是一个叫GDT
可以理解为一个大的数组
根据数组里面找到对应的数组项
一项就是一个所谓的段描述符
在段描述符里面表明了你要访问
比如以CS为例 CS加上EIP
它要访问的那个地址 对应的映射关系
这里面有它的一个Base Address这是最主要的
有了Base Address之后再加上
把这个EIP作为Offset合在一起
基址加上Offset形成最终的线性地址
如果没有启动这个页机制的话
那么线性地址就等同于物理地址
从而可以完成前面由我们的CS ES
以及CS加EIP ES或者是DS加上一个地址
所形成的虚拟地址 到线性地址的一个转换
这边是虚拟地址表示
这边是最终的物理地址或者线性地址
它中间通过我们段机制的段描述符
来完成映射关系 段描述符里面
重点是一个基址和它的一个段的限制
这两块信息很重要
我们有这两块信息之后
就可以知道怎么完成这个转换
那其实可以看出来这些信息
是需要这些段描述信息
这个CS里面它的index
都需要我们的软件提前设置好
这个软件是谁呢
很明显就是我们的ucore操作系统
好 那有同学可能会提出质疑说
你说的这个GDT它到底是
放在内存里面的还是放在CPU里面的
大家想一想
其实GDT是放在内存里面的 为什么
因为它占的空间比较大
如果放在CPU的话 那么它这个开销太大
对CPU的压力比较大
所以说既然放在内存里面
我每一次地址映射的时候
都要去查所谓GDT全局描述符表
简单我们也可以称之为段表
访问这个段表 那其实开销很大
我为了访问一个地址单元
我要再去访问这个地址
memory的速度远远小于我们CPU的速度
这我们之前讲计算机原理课的时候
会给大家提到的
那我们有什么办法
来加快这个选择的速度呢
其实靠我们的硬件来完成
这一点跟软件没有关系
那我们的硬件会把刚才我们的软件ucore
建立在GDT里面那个
段描述符里面的关键信息
给放在一个特殊的位置 隐藏的部分
这隐藏的部分就是我们几个寄存器
CS SS一直到GS
它这里面有一部分你看得见是16个bit
那个段寄存器的值 但是还有一大段
你是看不见的 是隐藏在后端
我们的硬件直接控制
它里面缓存了我们的基址
还有限制等等其它一些信息
这里面只关注两个 基址和它的段的一个大小
那么有了这个信息之后 这个信息是放哪儿
是放在我们的CPU里面的
所以它可以通过CPU内部的一个访问
就是我们说的MMU
CPU内部的一个访问
来加快整个段的一个映射的过程
从而会提高效率
好我们可以看到这里面说
通过这些操作在entry.S里面我们的ucore
会建立好这个映射机制
那么这是我们的操作系统
建立的第一次映射机制
另外需要注意的是它建立映射机制
它完成了和我们前面讲的lab1所用到的
bootloader的建立机制不太一样
为什么这么说 因为lab1建立的是对等映射
也就说我们的虚拟地址是0
我们的物理地址我们线性地址也是0
我们虚拟地址是1000
那我们的物理地址也是1000
它们完全是对等
那么在lab2里面它和lab1有比较大的区别
为什么这么说 因为link的时候
它用到那个描述文件是
实际上指出了它的偏移是0xC0000000
且还是负的 为什么 这也是一个问题
那也意味着如果这么来设置的话
我们访问
如果我们虚拟地址是0xC0000000的时候
实际上对应的这个线性地址是0
它们是这么一个映射关系
就是虚拟地址比我们线性地址要大0xC0000000
它这么一个映射 为什么这么映射
我们后面会进一步讲到
刚才那页讲的是说
操作系统ucore在开始执行的时候
它建立的映射关系
那其实我们再回顾一下lab1
我们lab1里面在一开始
它的bootloader也建立了一个映射关系
那个映射关系是一个对等映射
就0地址对应着0地址 1000对应着1000
它的大致建立过程是类似的
只是唯一的不同在哪儿
就是它用到的那个映射的关系
放在我们的GDT里面那个
段描述符里面的信息是不一样的
这导致了它们的映射关系完全发生了变化
我们现在是说我们希望
我们的操作系统能够用上页机制
那其实段是一种映射机制
我们的页又是另外一种映射机制
这时候有一个取舍
到底是两个都充分利用
还是强调其中一个
而忽视或者说弱化另外一个映射机制
大家想一想 我们在课上
也对段机制和页机制做了一个讨论
那我们可以看看到底选择哪个更加方便
或者更加合适
那么其实对我们硬件架构来说
选择页机制相对来说有助于
我们硬件机制对它进行有效的处理
所以说你可以看到当前主流的CPU里面
比如除了X86之外还有MIPS ARM PowerPC等等
都采用了这种页机制为主的一种页映射关系
所以说在这里面我们的ucore也是一样
还需要通过段机制里面的安全保护手段
来确保整个系统的安全
但是我们弱化了它的映射机制
怎么弱化 那既然我们说要选择页机制
来完成这个映射
就是从0xC0000000的虚地址
映射到一个物理地址为0的这么一个过程
那用页机制首先我们还是希望能够说
把我们的段机制又恢复回去
为什么要恢复回去
这个大家想一想 恢复到什么
恢复到我们前面说的对等映射
那它的过程是一样的 改变的是什么
改变的仅仅是我们说的那个对段表
全局描述符表里面的内容改变
因为那个内容里面
记录了每一个段的Base Address基址
那个实际上是用来映射用的
所以说那个做那么一个操作
做这个操作 为什么要做这个操作
是为了能够建立我们说的
这个页机制做好一个准备
否则我们的段机制
它也要完成一个从0xC0000000
到0的一个映射 这没必要
为什么这么麻烦 我还搞两次
这一点也是留一个问题大家去考虑一下