操作系统——认识保护模式（二）分页

操作系统——认识保护模式（二）分页

实验目的

1. 认真阅读章节资料，掌握什么是分页机制
2. 调试代码，掌握分页机制基本方法与思路
   – 代码3.22中，212行—237行，设置断点调试这几个循环，分析究竟在这里做了什么？
3. 掌握PDE，PTE的计算方法
   – 动手画一画这个映射图
4. 熟悉如何获取当前系统内存布局的方法
5. 掌握内存地址映射关系的切换
   – 画出流程图
6. 基础题：依据实验的代码，
   – 自定义一个函数，给定一个虚拟地址，能够返回该地址从虚拟地址到物理地址的计算过程，如果该地址不存在，则返回一个错误提示。
   – 完善分页管理功能，补充alloc_pages, free_pages两个函数功能
7. 进阶题（选做）
   – 设计一个内存管理器，选择其一实现：首次适应算法、最佳适应算法、伙伴算法，要求实现内存的分配与回收。（提示，均按照页为最小单位进行分配、对于空闲空间管理可采用位图法或者双向链表法管理）

实验环境：

VMware + Ubuntu32位

实验步骤：

1. 认真阅读章节资料，掌握什么是分页机制;

2. 调试代码3.22;

使用的是在断点位置添加jmp $的方法进行调试。从上图可以看出，他在不断执行一个循环，那么这个循环是在干什么呢？

从代码的注释我们可以看到一个大致过程，总的来说就是在初始化页目录以及页表项，之后再初始化所有页表，申请对应的页表空间。
1k个表项，指向1k个页表，共4M内存空间；每一页指向4K的空间。

3.分析PTE，PDE的映射;

从PTE基址开始，根据地址偏移寻找到所指PDE的基址；
根据上步找到的PDE基址，加上地址偏移寻找到页的基址；
根据获得的页的基址，加上地址偏移寻找到物理地址。

为什么PageTblBase初始值为2M+4K？
因为页目录表大小共4K.

4.获取当前系统内存布局;

中断15h！
但是，在使用15h之前，我们需要了解它的原理。

中断调用之后，结果将存在下列寄存器中：

根据书上的提示，我们发现我们需要的是ARDS结构。

其中，type如下所示：

到此，我们发现可以从ARDS中提取我们内存是否可用信息，也能计算出总内存大小。
于是我们申请一个缓冲区，存储我们得到的所有内存信息。

得到了内存信息之后，我们进入保护模式，把信息打印出来：


这里要注意的是，保护模式的寻址和实模式寻址是不同的，所以保护模式下要用上图的符号dwMemSize。

5. 掌握内存地址映射关系的切换;

– 画出流程图

根据CR3的值，决定使用的页目录表和页表，在偏移相同的情况下将映射到不同的物理地址。
自己画的感觉还不如书上的。。。

6. 基础题：依据实验的代码，

– 自定义一个函数，给定一个虚拟地址，能够返回该地址从虚拟地址到物理地址的计算过程，如果该地址不存在，则返回一个错误提示。

思路：1）读取虚拟地址
2）将16进制数转化为2进制数，并以10位（.a)、10位(.b)、12位(.c)分块

3）读取cr3寄存器的值
4）将cr3寄存器的值加上.a * 4的值，作为页目录表地址；

5）将.b的值加上页目录表所指的地址值，作为页表地址；

6）将页表所指的地址加上.c的值，作为寻址的结果，即物理地址。

7）如果其中有寻址出错，则报错。

– 完善分页管理功能，补充alloc_pages, free_pages两个函数功能
选择维护一个栈，当alloc的时候则进栈，当free的时候则出栈；
由于使用栈操作，所以我们需要一个栈顶指针，并且需要记录栈中元素的标志位：
地址 | 标志位
标志位表示是否已被分配，是否在使用。

分页寻址，在这里我们采用的是非常简单的分页形式，即虚拟地址=物理地址

置位。

表指针加一，指向当前栈顶位置。

而对于free函数，则和alloc函数步骤相反，总体原理是相同的。

7. 进阶题（选做）

– 设计一个内存管理器，选择其一实现：首次适应算法、最佳适应算法、伙伴算法，要求实现内存的分配与回收。（提示，均按照页为最小单位进行分配、对于空闲空间管理可采用位图法或者双向链表法管理）