Страничная адресация

Линейный адрес, который формируется процессором из логического адреса, соответствует адресу из линейного непрерывного пространства памяти. В обычном режиме в это пространство могут попадать области памяти, в которые нежелательно разрешать запись, — системные таблицы и процедуры, ПЗУ BIOS и т.д. Чтобы этого избежать, система может разрешать программам создавать только небольшие сегменты, но тогда теряется такая привлекательная идея flat-памяти. Сегментация — не единственный вариант организации памяти, который поддерживают процессоры Intel. Существует второй, совершенно независимый механизм — страничная адресация (pagination).

При страничной адресации непрерывное пространство линейных адресов памяти разбивается на страницы фиксированного размера (обычно 4 Кб (4096 или 1000h байт), но Pentium Pro может поддерживать и страницы по 4 Мб). При обращении к памяти процессор физически обращается не по линейному адресу, а по тому физическому адресу, с которого начинается данная страница. Описание каждой страницы из линейного адресного пространства, включающее в себя ее физический адрес и дополнительные атрибуты, хранится в одной из специальных системных таблиц, как и в случае сегментации, но в отличие от сегментации страничная адресация абсолютно невидима для программы.

Страничная адресация включается при установке бита PG регистра CR0, если бит РЕ установлен в 1 (попытка установить PG, оставаясь в реальном режиме, приводит к исключению #GP(0)). Кроме того, предварительно надо поместить в регистр CR3 физический адрес начала каталога страниц — главной из таблиц, описывающих страничную адресацию. Каталог страниц имеет размер 4096 байт (ровно одна страница) и содержит 1024 4-байтных указателя на таблицы страниц. Каждая таблица страниц тоже имеет размер 4096 байт и содержит указатели до 1024 4-килобайтных страниц. Если одна страница описывает 4 килобайта, то полностью заполненная таблица страниц описывает 4 мегабайта, а полный каталог полностью заполненных таблиц — 4 гигабайта, то есть все 32-битное линейное адресное пространство. Когда процессор выполняет обращение к линейному адресу, он сначала использует его биты 31 – 22 как номер таблицы страниц в каталоге, затем биты 21 – 12 как номер страницы в выбранной таблице, а затем биты 11 – 0 как смещение от физического адреса начала страницы в памяти. Так как этот процесс занимает достаточно много времени, в процессоре предусмотрен специальный кэш страниц — TLB (буфер с ассоциативной выборкой), так что, если к странице обращались не очень давно, процессор определит ее физический адрес сразу.

Элементы каталога страниц и таблиц страниц имеют общий формат:

биты 31 – 12: биты 31 – 12 физического адреса (таблицы страниц или самой страницы)

биты 11 – 9: доступны для использования операционной системой

бит 8: G — «глобальная страница» — страница не удаляется из буфера TLB при переключении задач или перезагрузке регистра CR3 (только на Pentium Pro, если установлен бит PGE регистра CR4)

бит 7: PS — размер страницы. 1 — для страницы размером 2 или 4 мегабайта, иначе — 0

бит 6: D — «грязная страница» — устанавливается в 1 при записи в страницу; всегда равен нулю для элементов каталога страниц

бит 5: А — бит доступа (устанавливается в 1 при любом обращении к таблице страниц или отдельной странице)

бит 4: PCD — бит запрещения кэширования

бит 3: PWT — бит разрешения сквозной записи

бит 2: U — страница/таблица доступна для программ с CPL = 3

бит 1: W — страница/таблица доступна для записи

бит 0: Р — страница/таблица присутствует. Если этот бит — 0, остальные биты элемента система может использовать по своему усмотрению, например, чтобы хранить информацию о том, где физически находится отсутствующая страница

Процессоры Pentium Pro (и старше) могут поддерживать расширения страничной адресации. Если установлен бит РАЕ, физический адрес оказывается не 32-битным (до 4 Гб), а 36-битным (до 64 Гб). Если установлен бит PSE регистра CR4, включается поддержка расширенных страниц размером 4 Мб для РАЕ = 0 и 2 Мб для РАЕ = 1. Такие страницы описываются не в таблицах страниц, а прямо в основном каталоге. Intel рекомендует помещать ядро операционной системы и все, что ему необходимо для работы, на одну 4-мегабайтную страницу, а для приложений пользоваться 4-килобайтными страницами. Расширенные страницы кэшируются в отдельном TLB, так что, если определена всего одна расширенная страница, она будет оставаться в TLB все время.

Для расширенных страниц формат элемента каталога совпадает с форматом для обычной страницы (кроме того, что бит PS = 1), но в качестве адреса используются только биты 31 – 22 — они соответствуют битам 31 – 22 физического адреса начала страницы (остальные биты адреса — нули).

Для расширенного физического адреса (РАЕ = 1) изменяется формат регистра CR3 (см. главу 10.1.3), размеры всех элементов таблиц становятся равными 8 байтам (причем используются только биты 0 – 3 байта 4), так что их число сокращается до 512 элементов в таблице и вводится новая таблица — таблица указателей на каталоги страниц. Она состоит из четырех 8-байтных элементов, каждый из которых может указывать на отдельный каталог страниц. В этом случае биты 31 – 30 линейного адреса выбирают используемый каталог страниц, биты 29 – 21 — таблицу, биты 20 – 12 — страницу, а биты 11 – 0 — смещение от начала страницы в физическом пространстве (следовательно, если биты 29 – 21 выбрали расширенную страницу, биты 20 – 0 соответствуют смещению в ней).

Основная цель страничной адресации — организация виртуальной памяти в операционных системах. Система может использовать внешние устройства — обычно диск — для расширения виртуального размера памяти. При этом, если к какой-то странице долгое время нет обращений, система копирует ее на диск и помещает отсутствующей в таблице страниц. Затем, когда программа обращается по адресу в отсутствующей странице, вызывается исключение #РЕ. Обработчик исключения читает адрес, вызвавший ошибку из CR2, определяет, какой странице он соответствует, загружает ее с диска, устанавливает бит присутствия, удаляет копию старой страницы из TLB командой INVLPG и возвращает управление (не забыв снять со стека код ошибки). Команда, вызывавшая исключение типа ошибки, выполняется повторно.

Кроме того, система может периодически сбрасывать бит доступа и, если он не установится за достаточно долгое время, копировать страницу на диск и объявлять ее отсутствующей. Если при этом бит D равен нулю, в страницу не выполнялось никаких записей (с того момента, как этот бит последний раз обнулили) и ее вообще можно не сохранять.

Второе не менее важное применение страничной адресации — безопасная реализация flat-модели памяти. Операционная система может разрешить программам обращаться к любому линейному адресу, но отображение линейного пространства на физическое не будет взаимно однозначным. Скажем, если система использует первые 4 Кб памяти, физическим адресом нулевой страницы будет не ноль, а 4096 и пользовательская программа даже не узнает, что обращается не к нулевому адресу. В этом случае, правда, и сама система не сможет обращаться к первой физической странице без изменения таблицы страниц, но эта проблема решается при применении механизма многозадачности, о котором рассказано далее.

Дата добавления: 2014-01-05