ch7_存储器管理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,8086CPU,管理存储器只有一种方式：,实方式（实地址方式）,80286CPU,管理存储器有两种方式：,实方式，保护虚拟地址方式,80486CPU,管理存储器有三种方式：,实方式，保护虚拟地址方式，虚拟,8086,方式,第,7,章 存储器管理,一、,实方式存储器管理,二、,保护方式存储器管理,三、,虚拟,8086,方式,第,7,章 存储器管理,一、实方式存储器管理,存储器的分段结构,软件运行时，指令与数据装入内存中，指令与数据具有相对独立性，各程序之间也具有相对独立性，为便于管理，它们各占据相对独立性的内存空间；一个程序拥有几个段，不同的程序占据不同的几个段，形成内存的分段管理结构。,物理地址的形成,分段地址由一个段值和一个有效地址偏移量值组,成，又称逻辑地址,段值：偏移量,段值由段寄存器的内容决定，表示一个物理段的,起始地址，又称段地址,段起始地址段值,10H,有效地址偏移量,EA,，,表示段内的一个特定字节,其值为寻址字节距离基地址（段地址）的距离,最大值为,64K,，,即段的最大空间,*便于程序的编写，逻辑地址使用方便，灵活,*存储器便于管理，支持程序的动态定位,二、,保护方式存储器管理,存储器进行分段管理和分页管理,基于存储器分段的结构，存储器空间可以把外存的一部分,作为内存的延伸，统一管理，称为,虚拟存储器,空间,逻辑地址被称为,虚拟地址,，段地址可以不在实存储器上,段寄存器被称为,段选择器,，,虚拟地址由,段选择器,和,地址偏移量,组成,虚拟地址空间由存储器的,分段机构,和,分页机构,进行管理,分段机构将虚拟地址变换为,线性地址,分页机构将线性地址变换为,物理地址,1,、,存储器分段管理,2,、,存储器的分页管理,3,、,小结,二、保护方式存储器管理,1,、,存储器的分段管理,（,1,）,段选择器,定义：,保护方式下，段选择器是一个,16,位的指向操作系统定义,的段信息的指针。,高,13,位作为索引，低,3,位为特征位,80386/80486CPU,的段选择器有,6,个 ，,CS SS DS ES FS GS,格式如下：,1,0,2,3,15,RPL,TI,请求者特权级,00b=,最高特权,11b=,最低特权,表指示器,0=,全局描述符表,GDT,1=,局部描述符表,LDT,表中的索引,说明：,当,RPL=00b,时,选择器的请求特权级最高,;,RPL=11b,时,选择器的请求特权级最低。,当,TI=0,时，选择器指向的段是系统的全局地址空间的一部分，,此时与高,13,位一起指向,全局段描述表,GDT,中的一项。,当,TI=1,时，选择器指向的段是一个特定程序或任何的局部地址,空间的一部分，此时与高,13,位一起指向,局部段描述表,LDT,中的,一项。,在保护方式下，,对,80286,，偏移量为,16,位，,每个段最大为,64KB(,2,16,),，可提供的虚拟存储空间,最大为,1GB,（,22,13,2,16,2,30,）,。,对,80386,和,80486,，偏移量为,32,位，,每个段最大为,4GB(,2,32,),，,可提供的虚拟存储空间,最大为,64TB,（,22,13,2,32,2,46,）。,14,索引,TI,TI=0,TI=1,GDT,全局段描述符表,局部段描述符表,0,2,15,LDT,说明：,GDT,和,LDT,最多各有,8192(2,13,),个独立项，,每个项,64,位,8,字节，,称为段描述符,GDT,或,LDT,最大各有,64K,空间,（,2,）,段描述符表,段描述表分为,全局段描述符表,GDT,和,局部段描述符表,LDT,段选择器与段描述表关系如下图所示：,说明：,描述符表中的每一项称为一个段描述符，每个段描述符有,8,个,字节长。系统的,GDT,和,LDT,均是一个长度不定的数据结构，,它们各自最少包括一个，最多包括,2,13,个段描述符。,段选择器的高,13,位用来确定段选择器具体指向,GDT,或,LDT,中,的哪一项，其中,TI=1,时指向全局描述符表；,TI=0,指向局布描,述符表。,GDT,中的第一个描述符为空描述符，一般不用。,（,3,）,段描述符,段描述符分为两类，如下图所示：,描述符,段描述符,门描述符,一般的段描述符,特殊的段描述符,数据,代码,堆栈（地址向下扩展）,非堆栈,（地址向上扩展）,TSS,LDT,任务门,调用门,中断门,陷阱门,说明：,TSS:,任务状态段,描述符,LDT:LDT,描述符,门：用于程序间,转移，任务间,转移的一种接口,基地址,G D 0 AVL,段限量,P DPL DT,类型,Base,基地址,段限量,24-31,16-19,基地址,0-15,0-15,16-23,6,4,2,0,段描述符格式,段描述符主要包括存储器空间中段的基址和限量，以及有关段的控制信息。,一般的段描述符格式如下,：,16 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,说明：,段基址,32,位,段限量,20,位,其它,12,位,段基地址,用来确定段在存储器的起始地址。,对,80286,，段基地址为,24,位,段可在,16MB,线性空间任何字节处起始；,对,80386,和,80486,，段基地址为,32,位,段可在,4GB,线性空间任何字节处起始。,段限量,用来确定段的尺寸。,对,80286,，段限量为,16,位无符号数,段的最大尺寸为,64KB,；,对,80386,和,80486,，段限量由上表中,20,位无符号数,和表中,粒度,G,共,同确定。,若,G,0,，,段限量以,字节,为单位，段的尺寸为,1B,1MB,；,若,G,1,，,段限量以,页,为单位，一页为,4KB,，,段的尺寸为,4KB,4GB,。,DT,位。,当,DT=1,时，表示为段描述符；,当,DT=0,，,时表示为一个特殊描述符（系统段描述符）,或门描述符,DPL,位。为描述符特权级域，用来实现保护而不用于地址生成。,P,位。为存在位，当,P=1,时，表示描述符存在于存储器中；,当,P=0,时，表示描述符不存在于存储器中。,AVL,为可用位，只在,80386,，,80486,中使用。,用来确定是否允许对存储器映象的,I/O,口实现保护。,D,位为缺省操作尺寸位，只在,80386,，,80486,中使用。,当,D=0,时，表示操作数和有效的缺省值为,16,位；,当,D=1,时，表示操作数和有效的缺省值为,32,位。,G,位为粒度位，在,80386/80486,中，它用来指定段的单位。,当,G=0,时，段限量以字节为单位；,当,G=1,时，段限量以页为单位，一页为,4kB,。,ST,1 C R A,0 E W A,代码段,ST=I,数据段,ST=0,访问,可写,向下扩展,1=YES,1=YES,1=YES,1=YES,访问,可读,一致性,1=YES,1=YES,段类型,ST,的设置决定如何解释其它域,段描述符类型域的定义,类型。类型共,4,位，用来区分不同的段描述符格式，当,DT=1,时,为段描述符,如下图所示：,类型域值 位定义 描述符,0 0 0 0 0,保留,1 0 0 0 1,可用的,16,位,TTS,2 0 0 1 0 LDT,3 0 0 1 1 16,位,TSS,忙,4 0 1 0 0 16,位调用门,5 0 1 0 1 16,位任务门,6 0 1 1 0 16,位中断门,7 0 1 1 1 16,位陷阱门,8 1 0 0 0,保留,9 1 0 0 1,可用的,32,位,TSS,非忙,AH 1 0 1 0,保留,BH 1 0 1 1 32,位,TSS,忙,CH 1 1 0 0 32,位调用门,DH 1 1 0 1,保留,EH 1 1 1 0 32,位中断门,FH 1 1 1 1 32,位陷阱门,DT=0,时,为特殊的段描述符及门描述符格式如下,：,说明：,2,、,5,、,8,F,用于,386/,486,0,1,3,4,6,7,用,286,LDT:,局部描述符,TSS:,任务状态段描述符,（,4,）,描述符表寄存器,描述符表寄存器分为全局描述符表寄存器,GDTR,和局部,描述符,表寄存器,LDTR,，,结构如下：,基地址 限量,全局描述符表寄存器,GDTR,局部描述符,表寄存器,LDTR,选择器 基地址 限量,16,位,80286-24,位,16,位,80386/80486-32,位,80286-24,位,16,位,80386/80486-32,位,说明：,全局描述符表寄存器中基地址指出全局描述符表在存储,器中的,起始位置,，,16,位限量使,GDT,表最多为,64KB,。,局部描述表在存储器中的位置是,由,GDT,中的描述符确,定,，,LDT,描述符在,GDT,中的寻址又,由,LDTR,中的,16,位 段选择起确定,。,当系统初始化时，将,GDT,中,LDT,描述符的段选择器值置 入,LDTR,中，,LDT,描述符的基址及限量自动置,LDT,的高速缓存中,，（限值只用低,16,位）,处理器根据此高速缓存的值来确定局部描述符表的起始地址和段限量。,基址,GDT,基址,LDT,最大,8192,最大,8192,GDTR LDTR,0,0 15,31,15,0,31,0,0 15,LDTR,的高速缓存器,0,1,2,3,0,1,2,3,LDT,说明：,GDT,只有一个,LDT,是每个任务,都有一个,当前的,LDT,为正在运行的任务对,GDTR,的读写用,LGDT,和,SGDT,指令；,对,LDTR,的读写用,LLDT,和,SLDT,指令。,下图表明了,GDTR,，,LDTR,与描述符的关系：,边界值,边界值,TI RPL,段选择器 访问权限 基地址 限量,用字节表示的段基地址 用字节表示的段尺寸,16,位,8,位,24,位,16,位,P DPL 1 1 C B A,P DPL 1 0 ED W A,出现,描述符特权级,段描述符,代码,/,数据,访问,可读,一致性,可写,向下扩展,代码段,80286,段寄存器格式,（,5,）,段寄存器,保护方式下，每个段寄存器都有一个,16,位可见部分（称为段,选择器）和一个程序无法访问的不可见部分（称为段描述符高速,缓存器）。对,80286,段描述符高速缓存器有,48,位，格式如下：,16,位选择器,16,位选择器,16,位选择器,16,位选择器,16,位选择器,16,位选择器,32,位段基址,20,位段限,12,位其它属性,32,位段基址,20,位段限,12,位其它属性,32,位段基址,20,位段限,12,位其它属性,32,位段基址,20,位段限,12,位其它属性,32,位段基址,20,位段限,12,位其它属性,32,位段基址,20,位段限,12,位其它属性,段选择器,段描述符寄存器,CS,SS,DS,ES,FS,GS,段选择器及段描述符寄存器（,80,位）,说明：段选择器与段描述符的对应关系以及段描述符的具体内容共同决定了虚 拟地址到,线性地址,的转换关系，改变段选择器与段描述符的对应关系或段描述符的具体内容便会改变虚拟地址到线性地址的转换关系。,对,80386,和,80486,，段描述符高速缓存器，格式如下：,2,、,存储器的分页管理,存储器的分页管理是把,线性地址空间和物理地址空间都看成由页组成,，且线性 地址空间的任何一页均可映射到物理地址空间任何一页，且页的尺寸是固定的。在,80386/80486,中，当控制寄存器,CR,0,中的,PG=0,时，禁止分页；当,PG=1,时，允许分页，此时把,4GB,的线性地址空间划分为,2,20,个页面，每个页面为,4KB,。在,80286,中，没有配置分页管理。,（,1,）,页目录和页表,分页管理机制将线性地址空间转化到物理地址空间的页时，,线性地址 的低,12,位在分页转换过程中直接作为物理地址的低,12,位使用，而线性地址的高,20,位由分页管理机制中的转换函数通过对常驻内存的页表的查询来转换成对应的物理地 址的高,20,位。,对页表的查询分两步进行，即查询一个两级表。第一级表为,页目录表,，第二级表为,页表,，长度均为,4KB,，,页目录表,每个页目录表有,1024,个页目录项，每项,32,位，是一个指针，它指 向另一个相似的数据结构,页表,。,说明,:,P,位，该位为,存在位,。,当,P=1,时表示该项里的页地址映射到物理存储器中的一页；,当,P=0,时表示该项的页地址没有映射到物理存储器中。,R/W,位，,R/W,位为,读,/,写位,，用于实现页保护，不涉及转换。,U/S,位，,U/S,位为,用户,/,监控程序位,，用于页级保护不涉及致转换,A,位，,A,位为,访问位,若,目录项,中,A=1,时表示该项所指出的页表已被访问过；,若,页表项,中,A=1,时，表示该项所指出存储器中的页已被访问过。,D,位，为页面,重写标志位,当页表项中,D=1,时表明该项所指出的存储器中的页已被写。,AVL,位，该域为,可用域,，共,3,位，供系统软件人员使用。,页目录表,/,页表的格式如下：,31 12 11 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0,页基地址,AVL 0 0 D A 0 0 U/S R/W P,页目录表,/,页表的格式,（,2,）,线性地址到物理地址的转换,线性地址格式,线性地址到物理地址的转换是根据存储器的线性地址通过查询页目录表和页表来实现的。线性地址格式如下：,目录索引域 表索引域 偏移量,0,11,31,12,21,22,线性地址到物理地址的转换如下图所示：,目录索引域 表索引域 偏移量,页目录 页表 页帧,页目录项,页表项,目的地址,CR3,(,控制寄存器）,31 22 21 12 11 0,（,3,）,线性地址到物理地址的转换举例,例：设某存储单元的线性地址为,25674890H,，,CR,3,=28345XXXH,，,求该存储单元的物理地址。,求解过程如下：首先，将线性地址,25674890H,分成如下图所示分成三个域：,0010 0101 01 10 0111 0100 1000 1001 0000,0,11,12,21,22,31,目录索引 页表索引 偏移量,12,位,10,位,10,位,由于,CR3=28345XXXH,，,所以页目录基地址,=28345000H,。,线性地址中为,0010010101B,，,则页目录表中所寻址的物理地址,=,目录表基地址,+,偏移地址,4=28345000H+254H=28345254H,。,设目录表中寻址项的内容为,00200021H,，,表明寻址项对应的基地址,00200000H,，,P,位及,A,位为,1,，则表明被寻址页表在存储器中，且对应目录项已 被访问过。线性地 址 中的索引地址为,1001110100B,。,则页表中的物理地址,=,页表基地址,+,页表 索引地 址,4=00200000H+9D0H=002009D0H,。,设页表中所寻址项的内容为,34567021H,，,则页帧基地址,=34567000H,，,要寻 址的额存储单元最终物理地址,=,页帧基地址,+,线性地址中的,12,位偏移量,=34567000H,+890H=34567890H。,线性地址,25674890H,的分解,为了提高页转换处理的速度在,80386/486,的,CPU,内部设计了页转换高速缓冲存储器,(TLB),，,80386,的,TLB,如下图所示：,线性地址,0,11,12,14,15,31,17,位,3,位,XX,有效 属性 标记,0.0,1,位,3,位,17,位,TLB,人口,12,位,386DX=20,位 填充,0,386SX=12,位,386 TLB,结构,标记块 数据块（,32,个页表地址）,0,1,2,3,4,5,6,7,Way0 Way1 Way2 Way3,0,11,31 12,Way0 Way1 Way2 Way3,替换块,说明：,属性中,3,位为,U/S,用户,/,管理员位,R/W,读,/,写位,D,修改位,替换块，指定下一次,写入,TLB,的位置,（,4,）,页转换高速缓冲存储器,3,、,小结,保护虚拟地址方式下，从虚拟地址到物理地址的转换，需要经过分段和分页两级转换，如下图：,0,15,0,31,0,31,段选择字 偏移量,虚拟地址 线性地址,段机制 分页机制,物理地址,0,31,虚拟,物理地址转换,分页被禁用,从上图可知，从虚拟地址到物理地址的两级转换中段机制 必须要用的，而分页机制则根据需要被启用或禁止。如果禁用分页机制，则段机制得到的线性地址直接作为物理地址，否则，由段段机制得到的线性地址还必须用页表进行转换才能得到物理地址。,三、虚拟,8086,方式,80386/486,在,EFLAGS,中的,VM,位为,1,时，运行虚拟,8086,方式。,此时，一个或多个,8086,实方式程序可同时在保护方式下执行。,虚拟机是由处理器能力与操作系统软件组合而创建的一个环境。,典型的虚拟机配置为：,通过虚拟机自身的,TSS,提供一组虚拟寄存器，并提供一组虚拟,存储空间。使得，,80386/486,在虚拟方式下执行一个任务的,8086,程,序的同时，还可以以,16,位保护方式执行另一个任务的,80286,程序，,以及一个以,32,位保护方式执行第三个任务的,80386/486,程序，并且,可以在这些任务之间来回切换。,INTEL,的特权环状模型,级别,3,（最底级别）,应用级别（用户级别）,核级别,0,（最高级别）,系统服务,级别,2,级别,1,扩展,The End,Thank you for your patience!,作业,:,P310 4,5,10,13,