幾乎每一本將操作系統(tǒng)原理的書(shū)籍都會(huì)談及內(nèi)存管理方法的段頁(yè)式存儲(chǔ)。以前看書(shū)都是看的云里霧里！原因就是還沒(méi)有懂INTEL指令，不知道頁(yè)式存儲(chǔ)有什么作用。國(guó)內(nèi)教材有個(gè)最大的弊病就是，作者通常先將概念，然后再將如何運(yùn)用，很少去提及概念是如何被提出來(lái)！為什么非要提出這樣一個(gè)概念。

除非你已經(jīng)被一個(gè)問(wèn)題困擾到茶飯不思、輾轉(zhuǎn)難眠，否則你絕對(duì)不會(huì)明白一個(gè)新的概念對(duì)你有多大的作用

分段還是分頁(yè)

分段還是分頁(yè)其實(shí)不是兩個(gè)不同的概念！分段，其中心思想是將程序分成若干的邏輯段，每個(gè)段實(shí)現(xiàn)什么功能，提供什么資源。這個(gè)其實(shí)和后來(lái)面向?qū)ο蟮念惖乃枷霙](méi)有任何區(qū)別，僅僅是表現(xiàn)不一樣罷了。在過(guò)去編程時(shí)，將程序分為若干邏輯段（數(shù)據(jù)段，32位代碼段，16位代碼段等），然后通過(guò)設(shè)置CS來(lái)實(shí)現(xiàn)段之間的跳轉(zhuǎn)。這種方式使得程序在設(shè)計(jì)期間邏輯清晰。但是這種方式，程序是一個(gè)線性的指令集合，某些時(shí)候，人們需要同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)任務(wù)，采用分段需要頻繁的切換CS，這樣造成很大的性能損耗。INTEL為了滿足這種能夠新增加一組寄存器 CR0、1、2、3來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)跳轉(zhuǎn)。這個(gè)使用同樣一個(gè)邏輯地址就能定位為不同的物理地址，如下圖

對(duì)于同樣一個(gè)邏輯地址10000，可以使用不同的分頁(yè)轉(zhuǎn)換，將邏輯地址轉(zhuǎn)化為不同的物理地址！

注：分段和分頁(yè)并不是對(duì)立的兩個(gè)概念，分頁(yè)其實(shí)建立在分段的基礎(chǔ)之上！

如何分頁(yè)

請(qǐng)思考如下一個(gè)數(shù)學(xué)題

y=f(x) {x的定義域?yàn)閇0，π/2]} ，找到一個(gè)函數(shù)使得f(x)的值域?yàn)閇0,1]？

如果你學(xué)過(guò)三角函數(shù)馬上就會(huì)想到 f(x)=sin(x)

用在分頁(yè)機(jī)制里，該數(shù)學(xué)題變?yōu)榱?/p>

y=f(x) {x的定義域?yàn)閇0,4.4M] 用4.4M的虛擬地址范圍 }，找到一個(gè)函數(shù)使得f(x)的值域?yàn)閇0,4G]---32位CPU內(nèi)存尋址范圍？

解析：

這里當(dāng)然可以使用一個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種擴(kuò)展，但是在計(jì)算機(jī)里面，沒(méi)有使用函數(shù)，而是使用索引的方式來(lái)表示一個(gè)更大的范圍，所謂索引，就是新華字典里面的查詢頁(yè)!一本字典那么厚，但是可以使用幾頁(yè)查詢頁(yè)就能找到字典里面的任何一個(gè)字！

在INTEL x86CPU保護(hù)模式里，一頁(yè)通常值為4K（4K=2的12次方，需要12位來(lái)表示頁(yè)內(nèi)偏移地址），所以4G就是1M(1M=2的20次方)個(gè)4K，1M個(gè)頁(yè)索引。這樣一個(gè)物理地址就可以轉(zhuǎn)化為

20位頁(yè)索引+12位頁(yè)內(nèi)：需要用1M個(gè)索引項(xiàng)去記錄每一頁(yè)的屬性！INTEL為了減小1M這個(gè)值，又將1M索引再次來(lái)個(gè)索引，將1M個(gè)索引按照1K個(gè)索引為1段，總共就是1K段！這樣一個(gè)屋里地址就轉(zhuǎn)化為：

10位頁(yè)索引的索引+10位頁(yè)索引+12位頁(yè)內(nèi)偏移地址，使用兩級(jí)索引來(lái)表示一個(gè)地址，地址轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：

10位頁(yè)索引的所有集合（1M個(gè)索引）有個(gè)專門(mén)的名字：頁(yè)表，表中的每一項(xiàng)也就是每一個(gè)索引叫做頁(yè)表項(xiàng)PTE（page table entry）

10位頁(yè)索引的索引的所有集合（1K個(gè)）有個(gè)專門(mén)的名字：頁(yè)目錄表，表中的每一項(xiàng)也就是每一個(gè)索引的索引叫做頁(yè)目錄表項(xiàng)PDE（page directory entry）

有一點(diǎn)值得強(qiáng)調(diào)，頁(yè)表項(xiàng)和頁(yè)目錄表項(xiàng)不僅僅只有索引，只是上面為了理解簡(jiǎn)單而省略一些信息，他們都有各種的屬性！

每個(gè)項(xiàng)需要4個(gè)字節(jié)，總共就需要 4*1K（1K個(gè)頁(yè)目錄表項(xiàng)）+4*(1M個(gè)頁(yè)表項(xiàng)) = 4.4M！

實(shí)際上啟動(dòng)分頁(yè)的過(guò)程，也就是將在內(nèi)存中初始化f(x)的一個(gè)過(guò)程！具體而言就是在內(nèi)存中為每一個(gè)物理頁(yè)做索引，加屬性的過(guò)程！

當(dāng)這些信息都被正確的在內(nèi)存中初始化完畢之后，最重要的一步，就可以將信息的首地址復(fù)制給CR3，然后將CR0最高位設(shè)置為1就表示啟動(dòng)了分頁(yè)機(jī)制！

分頁(yè)還是不分頁(yè)，分段還是不分段，保護(hù)模式還是實(shí)模式追索到源頭其實(shí)就是對(duì)CPU指令集的一個(gè)應(yīng)用，CPU提供了某些功能，然后由此編寫(xiě)的操作系統(tǒng)就啟用這些功能！所以不是操作系統(tǒng)多么牛逼，而是處理器多么厲害

分頁(yè)有多厲害

詳細(xì)解讀一下這句話：將信息的首地址復(fù)制給CR3。

CPU在將一個(gè)給定的虛擬地址進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換的時(shí)候，首先是尋找CR3給定的頁(yè)目錄地址，找到之后，然后按照那個(gè)目錄地址開(kāi)始一級(jí)級(jí)的轉(zhuǎn)換，這里你可能就會(huì)問(wèn)，那是不是我隨便給定一個(gè)CR3地址，那不是同一個(gè)地址會(huì)被轉(zhuǎn)換為隨便一個(gè)位置哦？是啊，就有這么牛逼！不同的頁(yè)目錄，就有不同的地址，操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的多任務(wù)，虛擬地址空間就是通過(guò)設(shè)置不同的CR3來(lái)實(shí)現(xiàn)！現(xiàn)在是否能夠明白windows操作系統(tǒng)的每個(gè)進(jìn)程尋址空間呢？在虛擬地址框架下，不管你如何尋址，你肯定找不到別人進(jìn)程的代碼，除非你改變CR3的值！

此時(shí)你看看下面這張圖：

是不是覺(jué)得淺顯易懂了呢？

最后附上一段代碼，摘抄自《一個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)》

; 啟動(dòng)分頁(yè)機(jī)制 --------------------------------------------------------------SetupPaging:    ; 為簡(jiǎn)化處理, 所有線性地址對(duì)應(yīng)相等的物理地址.    ; 首先初始化頁(yè)目錄    mov    ax, SelectorPageDir    ; 此段首地址為 PageDirBase    mov    es, ax    mov    ecx, 1024        ; 共 1K 個(gè)表項(xiàng)    xor    edi, edi    xor    eax, eax    mov    eax, PageTblBase | PG_P  | PG_USU | PG_RWW.1:    stosd    add    eax, 4096        ; 為了簡(jiǎn)化, 所有頁(yè)表在內(nèi)存中是連續(xù)的.    loop    .1    ; 再初始化所有頁(yè)表 (1K 個(gè), 4M 內(nèi)存空間)    mov    ax, SelectorPageTbl    ; 此段首地址為 PageTblBase    mov    es, ax    mov    ecx, 1024 * 1024    ; 共 1M 個(gè)頁(yè)表項(xiàng), 也即有 1M 個(gè)頁(yè)    xor    edi, edi    xor    eax, eax    mov    eax, PG_P  | PG_USU | PG_RWW.2:    stosd    add    eax, 4096        ; 每一頁(yè)指向 4K 的空間    loop    .2    mov    eax, PageDirBase    mov    cr3, eax    mov    eax, cr0    or    eax, 80000000h    mov    cr0, eax    jmp    short .3.3:    nop    ret; 分頁(yè)機(jī)制啟動(dòng)完畢 ----------------------------------------------------------