微机原理-第5版(周荷琴)-第13章 (3).pptx

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1、13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位微型机位微型机中国科学技术大学中国科学技术大学微型计算机原理与接口技术微型计算机原理与接口技术第第5版版第第13章章 32位微型机的基本位微型机的基本工作原理工作原理中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机13.3 保护模式下的内存管理保护模式下的内存管理中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机保护模式内存管理保护模式内存管理n在在实实模模式式下下，80386的的段段内内存存管管理理与与8086相相同同，每每个个段段长长度度都都是是64KB，用用段段基基址址+偏

2、偏移移量量求求物物理理地地址址。只只能能访访问问1MB内存空间。内存空间。n在保护模式下，采用全新的分段分页技术管理内存，能寻在保护模式下，采用全新的分段分页技术管理内存，能寻址址4GB地址空间。地址空间。采用可变长的分段技术，每段大小：采用可变长的分段技术，每段大小：1232字节字节(4 GB)。分段时还对每段赋予属性和保护信息，进行分段时还对每段赋予属性和保护信息，进行4级保护。级保护。采用分页管理技术，与分段技术相结合，使虚拟存储空间采用分页管理技术，与分段技术相结合，使虚拟存储空间大大超过物理地址，可达到大大超过物理地址，可达到64TB。多任务系统中有了分页功能，还可明显地提高存取数据

3、的多任务系统中有了分页功能，还可明显地提高存取数据的效率，并有效利用内存碎片。效率，并有效利用内存碎片。u下面介绍保护模式下的分段分页内存管理技术，主要以下面介绍保护模式下的分段分页内存管理技术，主要以80386为例进行讨论。为例进行讨论。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机13.3 保护模式下的内存管理保护模式下的内存管理13.3.1 段内存管理技术段内存管理技术13.3.2 分页内存管理技术分页内存管理技术中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机13.3.1 段内存管理技术段内存管理技术1.逻辑地址

4、、线性地址和物理地址逻辑地址、线性地址和物理地址逻辑地址、线性地址和物理地址逻辑地址、线性地址和物理地址l l 逻逻逻逻辑地辑地辑地辑地址址址址 Logic AddressLogic Address对对段段内内存存空空间间寻寻址址的的地地址址称称为为逻逻辑辑地地址址，也也叫叫虚虚拟拟地地址址，逻辑地址逻辑地址可表示为可表示为“段段选择子选择子：偏：偏移地址移地址”。段段选选择择子子：16位位，存存于于CS，DS等等段段寄寄存存器器中中，通通过过它它能能从从GDT或或LDT中找到中找到64位段描述符，获得段的全部信息。位段描述符，获得段的全部信息。偏移地址偏移地址：32位，即位，即有效地址有效地

5、址EA，计算方法，计算方法偏移地址基址变址偏移地址基址变址 比例因子位移量比例因子位移量基址：基址：存放于存放于32位通用寄存器中位通用寄存器中变址：变址：存放于除存放于除ESP外的外的32位通用寄存器中位通用寄存器中比例因子：比例因子：1，2，4，8位移量：位移量：8位或位或32位立即数位立即数 中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机1.逻辑地址、线性地址和物理地址逻辑地址、线性地址和物理地址l l物理地物理地物理地物理地址址址址 Physical AddressPhysical Address物物理理地地址址是是指指内内存存芯芯片片阵阵列列中中

6、每每个个阵阵列列所所对对应应的的唯唯一一的的地址，地址，32位地址线可直接寻址位地址线可直接寻址 2324GB内存单元。内存单元。l l线性地线性地线性地线性地址址址址 Linear AddressLinear Address是是沟沟通通逻逻辑辑地地址址与与物物理理地地址址的的桥桥梁梁，32位位CPU的的分分段段部部件件将逻辑地址空间转换成将逻辑地址空间转换成32位的位的线性地址。线性地址。方方法法：段段选选择择子子中中的的Index指指向向GDT或或LDT中中的的一一个个段段描描述述符符，从从中中可可读读出出线线性性基基地地址址，加加到到32位位偏偏移移地地址址上上，即即形形成成线性地址。线

7、性地址。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机1.逻辑地址、线性地址和物理地址逻辑地址、线性地址和物理地址l地址转地址转换换分分分分段段段段部部部部件件件件先先先先将将将将逻逻逻逻辑辑辑辑地地地地址址址址线线线线性性性性地地地地址址址址。若若若若分分分分页页页页功功功功能能能能禁禁禁禁止止止止，则则则则线线线线性性性性地地地地址址址址就就就就是是是是物物物物理理理理地地地地址址址址；如如如如允允允允许许许许分分分分页页页页，则则则则分分分分页页页页部部部部件件件件再再再再将将将将线线线线性地址转换成物理地址。性地址转换成物理地址。性地址转换成物理地

8、址。性地址转换成物理地址。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机2.2.段描述符段描述符段描述符段描述符共有三类段描述符，用段描述符中的共有三类段描述符，用段描述符中的共有三类段描述符，用段描述符中的共有三类段描述符，用段描述符中的b12b12位位位位S S来区分来区分来区分来区分:S=1S=1，内存段描述符内存段描述符内存段描述符内存段描述符，对应段为代码段、数据段或堆栈段。，对应段为代码段、数据段或堆栈段。，对应段为代码段、数据段或堆栈段。，对应段为代码段、数据段或堆栈段。S=0S=0，系统段描述符系统段描述符系统段描述符系统段描述符和和和和门

9、描述符门描述符门描述符门描述符。l l 内内内内存段描述符存段描述符存段描述符存段描述符内内内内存存存存段段段段描描描描述述述述符符符符都都都都是是是是8 8字字字字节节节节，分分分分为为为为：段段段段基基基基地地地地址址址址(Base(Base Address)Address)，段段段段限限限限长长长长(Limit(Limit)和和和和段属段属段属段属性性性性(Attribute)(Attribute)等等等等 3 3部分。部分。部分。部分。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机1 1）段基地址）段基地址基基址址是是32位位线线性性地地址址A31

10、A0，指指出出段段的的起起始始位位置置，可可以以是是32位位线线性性地地址址(4GB)中中的的任任一一个个地地址址。为为与与80286兼兼容容，在在段描述符表中，段描述符表中，32位基址分位基址分3处存放。处存放。2）段限长）段限长限限长长为为20位位，决决定定段段的的可可寻寻址址范范围围，存存于于2处处，也也为为与与80286兼容。兼容。要与要与b23位位G结合计算实际限长：结合计算实际限长：G=0，限长高，限长高12位为全位为全0；G=1，段限长描述符中的，段限长描述符中的20位限长位限长1000HFFFH。3）段内存属性）段内存属性除除G，S外外，尚尚有有多多种种属属性性，尤尤其其是是4

11、位位的的type属属性性是是程程序序员必须熟悉的。详见课本。员必须熟悉的。详见课本。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机l系系统段描述符和门描述符统段描述符和门描述符系系系系统统统统段段段段描描描描述述述述符符符符描描描描述述述述有有有有关关关关8038680386操操操操作作作作系系系系统统统统的的的的表表表表和和和和任任任任务务务务等等等等信信信信息息息息。任务状态段任务状态段任务状态段任务状态段TSSTSS和局部描述符表和局部描述符表和局部描述符表和局部描述符表LDTLDT都看作系统段。都看作系统段。都看作系统段。都看作系统段。1 1）任）

12、任）任）任务状态段务状态段务状态段务状态段TSSTSS每个任务都有每个任务都有每个任务都有每个任务都有TSSTSS，用在任务切换时保存任务的环境。，用在任务切换时保存任务的环境。，用在任务切换时保存任务的环境。，用在任务切换时保存任务的环境。低低低低位位位位部部部部分分分分由由由由CPUCPU定定定定义义义义，对对对对应应应应一一一一个个个个任任任任务务务务的的的的各各各各种种种种信信信信息息息息，存存存存放放放放各各各各种寄存器值，占用种寄存器值，占用种寄存器值，占用种寄存器值，占用104104（067H067H）字节。）字节。）字节。）字节。高位部分由高位部分由高位部分由高位部分由OSOS

13、创建任务时定义。创建任务时定义。创建任务时定义。创建任务时定义。CPU通通过过任任务务状状态态寄寄存存器器TR和和TSS描描述述符符来来定定位位内内存存中中的的TSS段段。8字字节节的的TSS描描述述符符存存放放在在GDT中中，定定义义了了任任务务状状态段在内存中的基址、限长和类型。态段在内存中的基址、限长和类型。格式格式中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机2 2）门）门）门）门(gate)(gate)是是是是一一一一种种种种转转转转换换换换机机机机构构构构。当当当当程程程程序序序序的的的的控控控控制制制制由由由由一一一一个个个个代代代代码码码码

14、段段段段（源源源源代代代代码码码码段段段段）转转转转到到到到另另另另一一一一个个个个目目目目标标标标代代代代码码码码段段段段时时时时，通通通通过过过过门门门门来来来来实实实实现现现现。门门门门设设设设置置置置在在在在目目目目标标标标代码段入口处，控制对该目标代码段访问的权限。代码段入口处，控制对该目标代码段访问的权限。代码段入口处，控制对该目标代码段访问的权限。代码段入口处，控制对该目标代码段访问的权限。门描述符为门描述符为门描述符为门描述符为8 8字节，格式：字节，格式：字节，格式：字节，格式：4 4、5 5字字字字节节节节是是是是门门门门描描描描述述述述符符符符属属属属性性性性，其其其其中

15、中中中TYPETYPE定定定定义义义义门门门门的的的的类类类类型型型型和和和和长长长长度（度（度（度（16/3216/32位）。位）。位）。位）。调调调调用用用用门门门门，段段段段选选选选择择择择子子子子和和和和偏偏偏偏移移移移量量量量指指指指向向向向要要要要调调调调用用用用子子子子程程程程序序序序的的的的目目目目标标标标代代代代码码码码起起起起始始始始地地地地址址址址；任任任任务务务务门门门门只只只只有有有有段段段段选选选选择择择择子子子子，指指指指向向向向GDTGDT中中中中的的的的一一一一个个个个TSSTSS描描描描述述述述符符符符。中中中中断断断断门门门门和和和和陷陷陷陷阱阱阱阱门门门

16、门，选选择择子子和和偏偏移移量量构构成成中中断断处处理理子程序或陷阱处理程序的入口地址。子程序或陷阱处理程序的入口地址。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机13.3 保护模式下的内存管理保护模式下的内存管理13.3.1 段内存管理技术段内存管理技术13.3.2 分页内存管理技术分页内存管理技术中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机13.3.2 分页内存管理技术分页内存管理技术n分分页页内内存存管管理理以以Page(页页)为为单单位位，将将内内存存空空间间映映射射到到磁磁盘盘空空间间，便便于于实实现现虚

17、虚拟拟存存储储器器管管理理，还还能能提提高高存存取取效效率率，有有效效利利用用内内存存碎碎片片。是是80386对对8086的的主主要要功功能扩充。能扩充。n80386以以4KB为为1页页，4GB内内存存分分成成220个个页页，在在被被4KB整除的地址（后整除的地址（后3位位=000H）处分页。）处分页。n分段技术分段技术将逻辑地址将逻辑地址线性地址线性地址CR0的的PE=0禁止分页时，线性地址即物理地址；禁止分页时，线性地址即物理地址；CR0的的PE=1允允许许分分页页时时，分分页页部部件件把把将将线线性性地地址址物物理理地址。地址。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第

18、第13章章 32位机位机1.页页页页目录与页目录与页目录与页目录与页表表表表l l 80386 80386采用采用采用采用页目录页目录页目录页目录和和和和页表页表页表页表两层表实现分页管理。两层表实现分页管理。两层表实现分页管理。两层表实现分页管理。l l页页页页表表表表项项项项共共共共有有有有2 22020=1024=1024 10241024个个个个，每每每每项项项项4 4字字字字节节节节。如如如如果果果果只只只只是是是是一一一一级级级级页页页页表表表表，要要要要占占占占4MB4MB内内内内存存存存。采采采采用用用用两两两两级级级级页页页页表表表表,每每每每级级级级1010位位位位，2 2

19、张张张张表表表表只只只只需需需需占占占占(10241024项项项项 4 4字节字节字节字节/项项项项)2 210241024 8 88KB8KB内存空间。内存空间。内存空间。内存空间。32位位线性线性地址地址 32位位物理物理地址地址中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机l页目录表页目录表含含2101024个个页目录项页目录项，每项，每项4字节。字节。l页表页表含含1024个个页表项页表项，每项，每项4字节对应字节对应4KB(1页页)内存。内存。l每个页目录项最多可以对应每个页目录项最多可以对应1024个页表项。个页表项。l故整个页目录最多可映射物

20、理地址空间为故整个页目录最多可映射物理地址空间为1024页目录项页目录项1024页表项页表项/页目录项页目录项4KB/页表项页表项4GBl分页机制将分页机制将32位线性地址分成位线性地址分成3部分：部分：1)高高10位位(b3122)作作页页目目录录索索引引，指指向向210=1024个个页页目目录录项项中中的的1项项。页页目目录录项项每每项项长长32位位，高高20位位是是页页表表基基址址，低低12位为其属性。位为其属性。2)中中间间10位位(b2112)作作页页表表索索引引，指指向向1024个个页页表表项项中中的的1项项。页页表表项项每每项项长长度度也也是是32位位，高高20位位对对应应物物理

21、理地地址址的的高高20位位，也称，也称页帧页帧(Page Frame)，低，低12位为其属性。位为其属性。3)低低12位位(b110)作作页面偏移地址页面偏移地址，即，即物理地址的低物理地址的低12位位。l利利用用两两层层表表和和CR3寄寄存存器器，就就可可从从32位位线线性性地地址址求求得得32位位物理地址物理地址。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机2.2.页目录项和页表项格页目录项和页表项格页目录项和页表项格页目录项和页表项格式式式式 即即即即2 2张表里的内容，都是张表里的内容，都是张表里的内容，都是张表里的内容，都是4 4字节，格式基本

22、相同：字节，格式基本相同：字节，格式基本相同：字节，格式基本相同：l l 高高高高2020位：页帧地址位：页帧地址位：页帧地址位：页帧地址 1 1页物理地址的起始基地址，也就是物理地址的高页物理地址的起始基地址，也就是物理地址的高页物理地址的起始基地址，也就是物理地址的高页物理地址的起始基地址，也就是物理地址的高2020位位位位l l 低低低低1212位：属性位：属性位：属性位：属性（对各属性位的讨论请参看课本）（对各属性位的讨论请参看课本）（对各属性位的讨论请参看课本）（对各属性位的讨论请参看课本）中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机3.举例说

23、明线举例说明线性地址转换成物理地性地址转换成物理地址的过程址的过程设设设设系系系系统统统统的的的的线线线线性性性性地地地地址址址址为为为为1234 1234 5678H5678H，CR3CR30000 0000 8000H8000H，求求求求对应的物理地址。对应的物理地址。对应的物理地址。对应的物理地址。如图，将如图，将如图，将如图，将3232位线地址位线地址位线地址位线地址1234 5678H1234 5678H分成分成分成分成3 3部分：部分：部分：部分：最高最高最高最高1010位位位位00 0100 1000B00 0100 1000B048H048H，作页目录索引号；，作页目录索引号；

24、，作页目录索引号；，作页目录索引号；中间中间中间中间1010位位位位11 0100 0101B11 0100 0101B345H345H，作页表索引；，作页表索引；，作页表索引；，作页表索引；最后最后最后最后1212位位位位678H678H，直接作物理地址的低，直接作物理地址的低，直接作物理地址的低，直接作物理地址的低1212位。位。位。位。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机查查询询CR3，得，得CR30000 8000H，作页目录表物理基址。，作页目录表物理基址。取取线线性性地地址址高高10位位048H，作作为为页页目目录录索索引引号号。每每

25、个个目目录录项项4字字节节，要要将将索索引引号号乘乘以以4，即即048H4120H，才才是是页页目目录项的偏移地址。录项的偏移地址。求求页页目目录录项项始始址址的的物物理理地地址址。其其值值CR3中中的的基基址址页页目目录项的偏址录项的偏址0000 8000H120H0000 8120H。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机查查页页目目录录项项的的内内容容。设设（08120H）0001 0021H，其其中中高高20位位为为00010H，它它是是页页表表基基址址的的高高20位位。低低12位位为为属属性性=021H。线线性性地地址址的的中中间间10位

26、位=345H，是是页页表表索索引引号号。同同样样，页页表表项长项长4字节，该页表项的偏址为字节，该页表项的偏址为345H 40D14H。该该页页表表项项的的物物理理地地址址=基基地地址址偏偏移移量量0001 0000H0D14H0001 0D14H。中国科学技术大学中国科学技术大学13.3 保护模式内存管理第第13章章 32位机位机查查页页表表项项得得(010D14H)54321 021H。其其高高20位位54321H为为页帧地址，即该页的基址为页帧地址，即该页的基址为5432 1000H。后。后12位为属性。位为属性。求求物物理理地地址址页页帧帧线线性性地地址址低低12位位5432 1000H678H5432 1678H。至此，从线性地址求得了物理地址。至此，从线性地址求得了物理地址。l在在保保护护模模式式下下，对对于于Pentium Pro及及以以上上的的处处理理器器，通通过过物物理理地地址址扩扩展展后后可可以以访访问问36位位即即64GB的的物物理理地地址址空空间间，每页大小可以是每页大小可以是4KB、2MB或或4MB。