5.3 Страничная переадресация
В Intel-совместимых процессорах линейная адресация памяти доступна, начиная с Intel 80386. Благодаря введению механизма линейной адресации можно создавать любое количество адресных пространств. Причём каждая страница линейного адресного пространства может находиться по любому (естественно, выровненному по границе 4 Кб) физическому адресу, а благодаря обработчику #PF и на любом накопителе. В этом случае обработчик #PF лишь загружает страницу с накопителя в физическую память. Процессор всё равно обращается только к физической памяти. Вся физическая память делится на страницы фиксированного размера (4 Кб, 2 Мб, 4 Мб). Каждая страница, независимо от размера выровнена по границе 4 Кб.
Линейная адресация доступна только в защищённом режиме. Для её включения необходимо установить бит PG в регистре CR0. Предварительно необходимо создать в памяти каталог страниц (Page Directory, PD) и таблицы страниц (Page Table, PT), после чего в регистр CR3 загрузить физический адрес каталога страниц.
При включении механизма страничной переадресации процессор будет преобразовывать 32-разрядные линейные адреса в 32-разрядные физические адреса. В процессорах Pentium Pro и более поздних моделях предусмотрена возможность расширения физического адресного пространства до 36 битов за счет изменения механизма страничной организации памяти. Однако здесь мы ее рассматривать не будем.
Страница – область памяти, размер которой составляет либо 4 Кбайт, либо 4 Мбайт, в зависимости от величины гранулы. Для упрощения последующего изложения будем считать, что используются страницы размером 4 Кбайт.
При использовании линейной адресации 32-битный адрес делится на три части (рис. 5.3.):
Номер элемента в каталоге страниц (номер таблицы страниц) – 10 бит. Одна запись из каталога страниц определяет 4 МБайт адресного пространства.
Номер элемента в таблице страниц (номер страницы в таблице страниц) – 10 бит. Одна запись из таблицы страниц определяет 4 КБайт адресного пространства.
Смещение в странице – 12 бит.
При использовании страниц по 4 МБайт вторая часть отсутствует. Смещение в странице определяют младшие 22 бита линейного адреса.
При преобразовании линейного адреса в физический процессор последовательно выполняет описанные ниже действия, которые проиллюстрированы на рис.5.3:
Программа обращается в память, указывая линейный адрес объекта.
Из линейного адреса извлекается значение 10-битового поля, определяющего индекс элемента в страничном каталоге. По этому индексу находится соответствующий элемент страничного каталога, содержащий базовый физический адрес таблицы страниц.
Из линейного адреса извлекается значение 10-битового поля, определяющего индекс элемента в таблице страниц, адрес которой был определен в п. 2. По этому индексу находится соответствующий элемент таблицы страниц, содержащий базовый физический адрес страницы памяти.
К полученному в п. 3 базовому физическому адресу страницы памяти прибавляется значение 12-битового поля смещения, в результате чего получается 32-разрядный физический адрес операнда в памяти.
В зависимости от типа операционной системы, для всех запущенных задач может использоваться только один страничный каталог, либо для каждой задачи создается свой страничный каталог. Возможен также комбинированный вариант.
Для того чтобы завершить рассмотрение страничной организации памяти, отметим, что рассмотренный механизм при логической работоспособности достаточно неэффективен, т.к. требует двух обращений в память для доступа с использованием виртуального адреса. Первый доступ необходим для работы с таблицей, второй - собственно для доступа к данным.
Для того чтобы ускорить трансляцию виртуальных адресов в физические, вводится специальный ассоциативный буфер истории трансляции TLB (translation look-aside buffer). Этот буфер содержит N строк, каждая из которых состоит из виртуального номера страницы и номера соответствующей физической страницы. В буфере размещаются отображения для N виртуальных страниц, номера которых использовались для последних по времени обращений к памяти. Тем самым для локализованных обращений к памяти создаются условия для быстрой трансляции виртуальных адресов в физические, без затрат на время выборки из таблицы страниц. Понятно, что N не может быть достаточно большим в силу того, что буфер должен быть быстрым, и объем оборудования на его построение, как правило, ограничен.
Поэтому если обнаруживается, что в буфере истории трансляции TLB нет требуемого виртуального адреса или для него не задано отображение в физический адрес, то запускается описанный механизм определения отображения виртуального адреса в физический. Полученный физический адрес вместе с соответствующим ему виртуальным адресом затем заносится в буфер TLB. При этом если буфер был полон, то в нем определяется исключаемое отображение одного из виртуальных адресов в соответствующий ему физический. Выбор этого виртуального адреса может производиться по разным алгоритмам. Например, это может быть адрес, к которому реже всех обращались, либо случайно выбранный адрес и т.д.
Следует отметить, что в процессорах широко используется рассмотренный метод ускорения реализации различных отображений путем введения ассоциативного буфера для хранения таблиц отображения, требующего для своего выполнения существенных затрат времени.
В идеале, локализацию данных программ, написанных на языках программирования, выполняет компилятор, учитывающий особенности аппаратных механизмов пересылки данных между уровнями памяти и отображения страниц. Однако не все пользователи удовлетворяются эффективностью, обеспечиваемой компилятором, поэтому вводятся команды процессора и операционной системы, обеспечивающие управление пересылкой данных между уровнями памяти и размещением страниц в основной памяти.
Пример 1. Посмотрим содержимое сегментных регистров и смещение данных в Windows-приложении с указанными ниже сегментами данных и кода:
.386
.model flat, stdcall
option casemap: none
.data
X byte 42h ; объявление и инициализация переменной X
.code
lea eax,X
PrintHex eax
mov ax,cs
PrintHex ax
mov ax,ds
PrintHex ax
mov ax,ss
PrintHex ax
mov ax,es
PrintHex ax
ret
Для этого сохраним эту программу под разными именами, скомпилируем эти файлы и запустим их. Ниже приведено окно сообщений при запуске двух программ. Как можно увидеть смещение данных и содержимое сегментных регистров одинаковое у двух разных приложений. Одинаковое и содержимое счётчика команд (EIP), оно равно 00401000h. Это происходит по причине использования страничной организации памяти, при которой физический адрес вычисляется на основе информации из таблицы страниц запущенных процессов.
eax = 00403000 – смещение переменной
ax = 001B – содержимое регистра сегмента кода
ax = 0023 – содержимое регистра сегмента данных
ax = 0023 – содержимое регистра сегмента стека
ax = 0023 – содержимое дополнительного сегмента данных
eax = 00403000 – смещение переменной
ax = 001B – содержимое регистра сегмента кода
ax = 0023 – содержимое регистра сегмента данных
ax = 0023 – содержимое регистра сегмента стека
ax = 0023 содержимое дополнительного сегмента данных