什么是系统文件?Linux系统文件页表目录和页表结构(图文详解)

什么是系统文件?Linux系统文件页表目录和页表结构(图文详解)两级页表如何实现地址转换:页表:是一种特殊的数据结构,记录着页面和页框的对应关系。(映射表)页表的作用:是内存非连续分区分配的基础,实现从逻辑地

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两级页表如何实现地址转换:

  • 页表:是一种特殊的数据结构,记录着页面和页框的对应关系。(映射表)
  • 页表的作用:是内存非连续分区分配的基础,实现从逻辑地址转化成物理地址。
什么是系统文件?Linux系统文件页表目录和页表结构(图文详解)

  • (1) 按照地址结构将逻辑地址拆成三个部分。
  • (2) 从PCB中读取页目录起始地址,再根据一级页号查页目录表,找到下一级页表在内存中存放位置。
  • (3) 根据二级页号查表,找到最终想要访问的内存块号。
  • (4) 结合页内偏移量得到物理地址。

虚拟存储技术

在解决了页必须连续存放的问题后,再看如何第二个问题:没有必要让整个页表常驻内存,因为进程一段时间内可能只需要访问某几个特定的页面。
解决方案:可以在需要访问页面时才把页面调入内存——虚拟存储技术(后面再说)。可以在页表中增加一个标示位,用于表示该页表是否已经调入内存。

应用

若采用多级页表机制,则各级页表的大小不能超过一个页面。

举例说明,某系统按字节编址,采用40位逻辑地址,页面大小为4KB,页表项大小为4B,假设采用纯页式存储,则要采用()级页表,页内偏移量为()位?

页面大小 = 4KB,按字节编址,因此页内偏移量为12位。
页号 = 40 – 12 = 28位。
页面大小 = 4KB,页表项大小 = 4B,则每个页面可存放1024个页表项。因此各级页表最多包含1024个页表项,需要10个二进制位才能映射到1024个页表项,因此每级页表对应的页号应为10位二进制。共28位的页号至少要分为3级。

1、进程的4G 线性空间被划分成三个部分:进程空间(0-3G)、内核直接映射空间(3G – high_memory)、内核动态映射空间(VMALLOC_START – VMALLOC_END)

2、三个空间使用同一张页目录表,通过 CR3 可找到此页目录表。但不同的空间在页目录表中页对应不同的项,因此互相不冲突

3、内核初始化以后,根据实际物理内存的大小,计算出 high_memory、VMALLOC_START、VMALLOC_END 的值。并为“内核直接映射”空间建立好映射关系,所有的物理内存都可以通过此空间进行访问。

4、“进程空间”和“内核动态映射空间”的映射关系是动态建立的(通过缺页异常)

假设在有三个线性地址 addr1, addr2, addr3 ,分别属于三个线性空间不同部分(0-3G、3G-high_memory、vmalloc_start-vmalloc_end),但是最终都映射到物理页面1:

1、三个地址对应不同的页表和页表项

2、但是页表项的高 20bit 肯定是1,表示物理页面的索引号是1

3、同时,根据高 20 bit,可以从 mem_map[] 中找到对应的 struct page 结构,struct page 用于管理实际的物理页面(就是实际物理页面的物理地址了,到这里就不绕弯子了,顺便想到高速缓冲的匹配命中操作是用哈希表,换算出的要访问的实际物理地址拿到哈希表的输入计算一下哈希值,看看有没命中)(红线)

4、从线性地址最终的,根据页目录表,页表,可以找到物理地址

5、Struct page 和物理地址之间很容易互相转换

6、从物理地址,可以很容易地反推出在内核直接映射空间的线性地址(蓝线)。要想得到在进程空间或者内核动态映射空间的对应的线性地址,则需要遍历相应的“虚存区间”链表。


关于页目录表:

1、每个进程有一个属于自己的页目录表,可通过 CR3 寄存器找到
2、而内核也有一个独立于其它进程的页目录表,保存在 swapper_pg_dir[] 数组中

3、当进程切换的时候,只需要将新进程的页目录把地址加载到 CR3 寄存器中即可

4、创建一个新进程的时候,需要为它分配一个 page,作为页目录表,并将 swapper_pg_dir[] 的高 256 项拷贝过来,低 768 项则清0

linux0.11版本,所有进程共享同一个页目录而各自使用不同的页表,该共享的页目录就放在物理地址最前面的4k

什么是系统文件?Linux系统文件页表目录和页表结构(图文详解)

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