操作系统内核开发实战-虚拟内存管理.pdf

操作系统内核开发实战（6 ） 虚拟内存管理 伯松，阿里集团 王智通，阿里云 前序课程回顾 Ø  内核引导 最基本的内核编译和加载的概念 Ø  保护模式基础 理解x86架构下开发操作系统内核所需的体系结构基本知识点 Ø  系统调用 应用程序访问内核和与其它进程通信的接口与基本实现原理 Ø  进程调度 最基本的进程调度和进程切换算法与实现细节 Ø  物理内存管理 不同物理内存对象的管理内容和算法 本节课将介绍用户态地址空间虚拟内存管理的原理和代码实现 虚拟内存管理—— 内容概要 •  虚拟内存管理（VMM）主要工作 •  VMM的硬件/软件支持 •  内存映射与虚拟内存分配 •  内存映射与共享内存 •  TLB缓存与大内存页 •  课程小结 虚拟内存管理——主要工作 •  内存映射（mmap） •  堆管理（heap） •  栈管理（stack） •  按需分配内存（pagefault） •  地址空间保护（#PF/#GP） •  页交换（swapping） •  页缓存（paging） 本课程主要涉及前5点，后2点在MLXOS中没有实现。 虚拟内存管理——VMM的硬件和软件支持(x86架构) 内存管理单元MMU •  CPU的组成部分 •  逻辑地址，物理地址转换 •  线性地址，物理地址转换 •  内存访问地址保护 内存管理相关的数据结构 •  段寄存器 •  段选择子 •  页表，页目录表，页目录指针表 •  控制寄存器（CR0，CR2，CR3） 软件和硬件结合起来，协同实现虚拟内存管理的地址 转换和访问地址保护。 虚拟内存管理——VMM的硬件和软件支持 (Cont.) 复习保护模式的内容 内存管理相关的数据结构 •  全局述符表 •  段寄存器 •  段选择子 •  页表，页目录表，页目录指针表 •  控制寄存器（CR0，CR2，CR3） 软件和硬件结合起来，协同实现虚拟内存管理的地址 转换和访问地址保护。 虚拟内存管理——VMM的硬件和软件支持 (Cont.) 复习保护模式的全局述符 MLXOS初始化段寄存器的全局述符表 通过选择子来将相应属性加载到段寄存器中 虚拟内存管理——VMM的硬件和软件支持 (Cont.) 复习保护模式的段选择子 MLXOS的全局述符表的述符，用来加载全局述符 表到全局述符表寄存器 加载全局述符，以及代码段、数据段地址的操作 虚拟内存管理——VMM的硬件和软件支持 (Cont.) 复习保护模式的页表(1) MLXOS启动时初始化的头32MB 物理内存对应的页目录表。 每个页目录表项对应4MB物理 内存，每块物理内存由稍后的 4KB页表组织 虚拟内存管理——VMM的硬件和软件支持 (Cont.) 复习保护模式的页表 (2) 以页目录表第一项的内容为例： long 0 最后三位027表示 地址 0在地址由符号 ENTRY(pg0)标记，即第0个页目 录表地址，大小为0x1000(4KB)， 管理4MB的（非必须连续）物理内 存空间。 虚拟内存管理——VMM的硬件和软件支持 (Cont.) 复习保护模式的控制寄存器 CR0： PG PE 0 0 实模式 0 1 保护模式，未打开分页 1 0 无效 1 1 保护模式，打开分页 CR1：未定义 CR2：保存触发PageFault时的线性地址 CR3：页目录的物理地址 虚拟内存管理——VMM的硬件和软件支持 (Cont.) 复习保护模式的打开页寻址功能 虚拟内存管理——VMM的硬件和软件支持 (Cont.) 复习保护模式相关