《软件调试》读书笔记一

一、分页机制
关键词：CR0、CR2、CR3、CR4、页目录、页目录表项、页表、页表项、内存页(物理内存被分成若干个特定大小的页，也叫物理页)


CR0：该寄存器中的PG标志用于是否启用分页分页机制


CR2：该寄存器中保存的是一个线性地址


CR3：该寄存器中保存的是页目录的物理地址（指基地址）


CR4：该寄存器中的PAE（Physical Address Extension）标志用来是否启用物理地址扩展，启用的话，可以寻址高达64GB的物理内存，不启用的话，最多寻址4GB的物理内存。该寄存器中的PSE（Page Size Extension）标志位用于启用大页面支持，PAE=1时大页面为2M或4M，PAE为0时，大页面为4KB。




页目录：页目录用来存放页目录表项，它是一个线性表，简称PDE；一个页目录大小最大为4K，最多有1024个表项，


页目录项：“页目录项”就是“页目录”里存放的项，因为一个“页目录项”大小为4byte（32b）；当没有启用PAE时，一共有两种PDE格式，分别用于指向4kb的“页表”和4MB的“内存页”。其中前者PDE格式中高20位代表4k大小页表的基地址的高20位，该基地址的低12位固定为0，所以页表一定是4KB边界对齐的（这种PDE格式中的内存页大小是4KB，因为它通过页表寻找内存页，页表中高20位表示内存页的高20位，低12位为内存页的大小）。后者PDE格式中高10位代表4MB“内存页”的基地址的高10位，该4MB的内存页一定是按4MB对齐的。


页表：“页表”用来存放"页表项"，每个"页表"大小4KB，有1024个"页表项"。


页表项："页表项"就是"页表"存放的项，占4个字节。页表项中高20位存储“内存页”的基地址，后12位为标志位。


注：为什么要用二级索引，（X86中）因为页大小为4KB，而内存4GB，要索引这4GB，就要1M个页，而要索引这1M个页就要1M个索引，一个索引要4byte内存（32位系统），所以要1M乘以4Byte=4MB的连续物理内存才能建立这个索引。为了避免占用如此巨大的内存空间，所以有了二级页表机制（页目录表和页表）。
注：2MB和4MB的大内存页直接映射到"页目录项"，不需要使用"页表"。
疑问：CR4中PAE（Physical Address Extension）和PSE的作用，PDE中PS的作用。


一、未开启PAE
线性地址转换成物理地址步骤：
情况一（内存页大小为4KB）：
首先CR2中得到“线性地址”，然后CR3中得到“页目录”的基地址，然后"线性地址"中的高10位为偏移（偏移指的是页目录项中的第几个，好比数组中的下标）找到目标“页目录项”，然后从“页目录项”中得到“页表”的基地址，然后在“线性地址”中的中10位得到“页表项”的偏移，然后在“页表项”中得到“内存页”的基地址，然后在“线性地址”中的后12位得到“物理内存”的偏移。


情况二（内存页大小为4MB）：
首先CR2中得到“线性地址”，然后CR3中得到“页目录”的基地址，然后“线性地址”中的高10位得到“页目录项”的偏移，然后从“页目录项”的高10位得到“内存页”的基地址，然后从“线性地址”中的后22位得到“物理地址”的偏移。
二、开启PAE


cr4寄存器中的PAE标志激活，页目录项中的页大小标志PS启用大尺寸（PAE启动时为2MB）
Intel的寻址能力达到2^36=64GB,因此Intel改变了分页机制。64GB的RAM被分为2^24个内存页，而页表项的内存页基地址段字段从20位扩展到24位，然后加上它的12位标志位，总和为36位，根据内存对齐，所以你页表大小为64位（8byte），结果一个大小4KB的页表含有512个页表项。“页目录表项”大小也有64bit，4KB的“页目录表”有512个“页目录表项”，Intel还引入一个叫做页目录指针表的新表，它有4个表项，表项的作用是指向“页目录表”的基地址，由此可知，“页目录指针表项”的大小也为64bit，然后就是cr3包含一个27bit的页目录指针表的基地址段。因为它存放在RAM的前4GB中，并在32字节(2^5)的倍数上对齐，因此27bit足以表示这种表的基地址。


当把线性地址映射到4KB的页时（页目录项中PS标志清零），32位线性地址按下列方式解释
cr3  指向一个页目录指针
线性地址位31-30  指向页目录指针中的一个
线性地址位29-21  指向页目录中的512个项中的一个
线性地址位20-12  指向页表中的512个项中的一个
线性地址位11-0   指向4KB内存页中的偏移量






当把线性地址映射到2MB的页时（页目录项中PS标志置为1），32位线性地址按下列方式解释


cr3 指向一个PDPT
线性地址位31-30  指向页目录指针中的一个
线性地址位29-21  指向页目录中的512个项中的一个
线性地址位20-0   指向2MB内存页中的偏移量