Windows内核（11）——分页机制（2-9-9-12）

Windows

分页机制 2-9-9-12

名词解释：

PTE（Page Table Entry）：页表项

• PTE是页表中的一个条目，用于存储一个页面的物理地址和一些控制信息，比如页面是否有效、是否可读写等。通过页表，可以将虚拟地址转换为物理地址。

PDE（Page Directory Entry）：页目录项

• PDE是页目录中的一个条目，用于指向一个页表。每个PDE包含指向页表的物理地址和控制信息。页目录本身是一个包含多个PDE的表，用于管理多个页表。

PTT（Page Table）：页表

• 页表是一个结构，包含多个PTE。每个PTE指向一个物理页的地址。页表用于虚拟地址到物理地址的转换。在分层页表结构中，一个页表对应一个页目录项。

PDI（Page Directory Index）：页目录索引

• PDI是虚拟地址的一部分，用于索引页目录中的某个PDE。通过PDI，操作系统可以找到页目录中对应的PDE，从而找到指向的页表。

页目录索引（PDI, Page Directory Index）：用于查找页目录中的某个页目录项（PDE）。

页表索引（PTI, Page Table Index）：用于查找页表中的某个页表项（PTE）。

页内偏移（Offset）：用于定位物理页内的具体字节。

控制寄存器

CR（Control Register）控制寄存器，这些寄存器只能在0环使用

寄存器名称	描述
CR0	包含处理器标志控制位，例如PE,PG,WP等
CR1	保留
CR2	专门用于保存缺页异常时的线性地址
CR3	保存进程页目录地址，切换进程用
CR4	扩展功能（如判断物理地址扩展模式等），Pentium系列（包括486的后期版本）处理器中才实现

CR0寄存器：

PE：启用保护模式标志，1是保护模式，0是实模式，这个位只是开始或关闭段机制，并没有启用分页机制。

PG：分页机制开关，在启用之前需要确保PE是开启的，否则会出现异常。

WP：写保护标志，禁止0环程序向3环只读页面执行写操作，也就是说当CPL<3的时候，如果WP=0，可以读写任意物理页，只要线性地址有效，如果WP=1，可以读取任意用户级物理页，但是对于只读的物理页，不能写 。

CR4寄存器

PAE （Physical Address Extension，物理地址扩展）：
启用PAE可以使处理器支持超过4GB的物理内存寻址能力，增加到36位地址总线，从而支持高达64GB的物理内存。PAE=1开启
启用PAE后，页表结构会发生变化，使用三级页表：页目录指针表（PDP）、页目录（PD）和页表（PT）。
在启动选项 /nopae /pae 分别是关闭和开启PAE标志的指令

PSE （Page Size Extension，页大小扩展） ：
PSE标志位是CR4寄存器的第4位（CR4.PSE）。启用PSE可以使处理器支持4MB的大页，从而减少页表开销，提高内存管理效率。 启用PSE后，页表结构中的页目录项（PDE）可以指向一个4MB的大页，而不是传统的4KB小页。

这个表列举了标志位组合起来的情况，（PS（在PDE里面）这个属于页表的标志位）

为什么放弃10-10-12分页机制？

参考： 80x86 2-9-9-12分页 - zpchcbd - 博客园 (cnblogs.com)

首先10-10-12分页模式这个成品是基于设计者的想法而产生的，先要确定的肯定是页的大小也就是4kb大小，那么也就是2^12 -> 4KB大小

那么还剩下”10” “10” 接着又设计PDE和PTE，通过PTE的前20位再加上12位的偏移，那么也就是4G寻址范围（那当时的情况寻址能力已经能足够了）

But，计算机在发展，4G的寻址能力无法满足越来越大的内存，所以开启了新的2-9-9-12分页机制

有什么办法在32位cpu下如何能够提高物理地址的寻址范围呢？

这里就引入了2-9-9-12的分页模式，又被叫做为PAE物理地址扩展

1、页的大小是确定的，4KB不能随便改，所以低12位是可以确定的

2、如果想增大物理内存的访问范围，就需要增大PTE，增大多少了呢？需要找到64G，那么增大到36位，但是还需要考虑对齐的因素，所以对齐到8个字节

知识点：在Windows系统中，对齐大小有利于高效率的执行和搜索

2-9-9-12分页结构

1.页的大小是确定的，4KB不能随便改，所以32位的最后一部分就确定为了12位。

2.如果想增大物理内存的访问范围，就需要增大PTE，增大了多少呢？ 需要找到64G，那么增大到36位，考虑对齐的因素，增加到8个字节
由于PTE增大了，而PTT表的大小没变，依然是4KB，所以每张PTT表能放的PTE个数由原来的1024个减少到512个，512等于2的9次方，因此PTI=9

3.由于2的9次方个PDE就能找到所有的PTT表，因此PDI=9

4、同理PDI也是2的9次方 32 - 9 - 9 - 12 还差2位 所以就再做一级叫PDPI（页目录指针表）

知识点：这里需要让PDI也是2的9次方的原因，其实也是就是为了通过PDE同样可以定位到PTE，举个例子，此时2-9-9-12分页下，当前的PTE的前24位是4GB范围以外的，那么如果PDE不是跟PTE同样的结构，那么PDE的前24位就没有，也就是无法找到4GB范围以外，所以为了能够让PDE能够定位到4GB以为的PTE，所以也需要”9”

表结构

PDE结构：

(PS=1为大页的情况下)

当PDE里面的标志位PS位为1的时候，该PDE指向的物理页是大页，35-21位是大页的物理地址，这样36位的物理地址的低21位为0，这就意味着页的大小为2MB，且都是2MB对齐。

(PS=0)

2-9-9-12的9位，它是PDE，这个每项占8个字节，如下图所示

当PS=0时，第35-12位是页表基址，低12位补0，共36位。

P (Present) (第0位):

• 指示该PDE是否有效。1表示有效，0表示无效。

RW (Read/Write) (第1位):

• 指示页面是否可写。0表示只读，1表示可读写。

US (User/Supervisor) (第2位):

• 控制访问权限。0表示内核模式，1表示用户模式。

PWT (Page-level Write-Through) (第3位):

• 控制缓存写通策略。

PCD (Page-level Cache Disable) (第4位):

• 控制是否禁用缓存。

A (Accessed) (第5位):

• 标记该页是否被访问过。

0 (第6位):

• 保留位，必须为0。

PS (Page Size) (第7位):

• 指示页的大小。0表示4 KB页，1表示2 MB页（PAE模式下不使用4 MB页）。

G (Global) (第8位):

• 标记全局页。当启用CR4中的PGE位时，全局页在上下文切换时不会刷新TLB。

0 (第9位):

• 保留位，必须为0。

Reserved (第10-11位):

• 保留位，必须为0。

Base Address (第12-35位):

• 页表的物理基地址，指向下一级的页表（对于4 KB页）

Reserved(set to 0，第36-63位)：

• 保留位，给下一代cpu

PTE

2-9-9-12的9位，它是PTE，这个每项占8个字节，如下图所示

PTE中第35-12是物理页基址，24位，低12位补0物理页基址+12位的页内偏移指向具体数据

PAT用于指定页面的缓存属性的。它与页属性表（Page Attribute Table）一起工作，允许操作系统指定不同的缓存策略以优化内存访问。

PDPTE(Page-Directory-Point-Table-Entry)：

2-9-9-12最高的2位，它是页目录指针表项，这个每项占8个字节，如下图所示

P (Present) (第0位):

• 表示页目录指针表项是否有效。1表示有效，0表示无效。

RW (Read/Write) (第1位):

• 指示指向的页是否可写。0表示只读，1表示可读写。

US (User/Supervisor) (第2位):

• 控制访问权限。0表示内核模式，1表示用户模式。

PWT (Page-level Write-Through) (第3位):

• 控制缓存写通策略。

PCD (Page-level Cache Disable) (第4位):

• 控制是否禁用缓存。

保留位 (第5-8位):

• 通常设置为0，不被使用。

Reserved (第9-11位):

• 保留位，通常为0。

Page-Directory Base Address (第12-35位):

• 指向页目录的物理地址

Reserved(set to 0):

• 通常设置为0，不被使用

整体的2-9-9-12架构

先查页目录指针表确定是哪一个页目录表项，占两位，有2^2=4种可能

然后查询页目录表找到页表，由2^9=512种可能

然后查询页表项，有2^9=512种可能

所以总共能映射的内存是4 * 512 * 512* 4k = 4M（一个分页为4K）

如果一个分页大小是4M，那么就没有页表了

逻辑地址转物理地址实战

因为分段机制已经没啥用了，所以 逻辑地址 = 线性地址

现在我们来转换一下0x11A2014这个地址

0x11A2014拆成二进制为：00 000001000 110100010 000000010100

页目录指针index 0
页目录index 0x8
页表index 0x1A2
偏移 0x14

根据页目录指针找到页目录表基地址，加下标得到页目录表项地址：

1: kd> !dq cr3+0*8
#3eed23a0 00000000`167dc801 00000000`3addd801

分解一下，页目录表的基地址为0x167dc000,属性为0x801，最低位为1，所以是有物理内存映射的

页目录表项地址为0x167dc000 + 0x8*8

根据页目录表项找到页表基地址，加下标得到页表项

1: kd> !dq 0x167dc000 + 0x8*8
#167dc040 00000000`3c765867 00000000`00000000

分解一下，得到页表基地址为0x3c765000(如果有页表)，属性为0x867,查看属性，重点看第0位和第7位，说明物理地址有效并且分页大小为4K,说明有页表

所以页表项地址为0x3c765000+0x1A2*8

根据页表项找到页框物理基地址，加偏移得到物理地址

1: kd> !dq 0x3c765000+0x1A2*8
#3c765d10 00000000`02df5025 00000000`0046b025

页框物理基地址为0x2df5000

最终物理地址为0x2df5000+0x14=0x2df5014

发现最终也是成功对上了