操作系统实现之内存分页机制.虚拟空间

Posted 2023-02-03 隐无影

内存虚拟存储主要是为了将一个进程分为不同页.存储到不同物理页中.然而不同进程的虚拟地址是可以相同的.因为MMU把进程的虚拟地址映射到各个不同的物理地址中.
以下操作系统采用二级分页.一开始CS:IP寄存器.将CS的基地址跟IP的偏移地址进行相加.得到线性地址.接着.线性地址的高10位用于当作页目录表的索引.页目录表保存的是页表的物理地址.接着.线性地址的低10位用于当作页表的索引.页表保存的是4k大小的页块.线性地址低10位那就是页块的偏移地址.由此虚拟地址->物理地址转换结束.当然操作系统在创建页目录表的时候.要把页目录表的物理地址给加载到cr3寄存器中. 开启分页机制分为3件事. (1)设置页目录表跟页表 (2)把页目录表的地址加载到cr3寄存器中 (3)将寄存器的cr0的PG位置为1表示开启了分页机制
规划页目录表跟页表位置 在用户进程.高3G部分给操作系统.而0~3G是用户的空间.每个进程都有页表.然后一个用户进程的功能完成是需要内核配合的.于是所有用户进程应该共享内核.也就是等于3G-4g的所有用户进程空间指向的都是同一个物理页地址
这里我们将把页目录表放在0x100000处.页表也挨着页目录表放在0x101000处(第二个页表.当然在此之前应该把物理内存给算出来.这里可以使用bios中断来获取物理内存

%include "boot.inc"
section loader vstart=loader_base_addr
;------------全局描述符表的定义 
gdt_base: 
	 dd 0x00000000    ;全局描述表.第一个描述符要为空
     dd 0x00000000
code_base: 
     dd 0x0000FFFF
     dd desc_code_high4
data_stack_desc:
	dd 0x0000ffff
	dd desc_data_high4
video_desc:	
	dd 0x80000007   ;段界限 limit=0x7fff.基址位于0xb8000
	dd desc_video_high4
;---------GDT的属性
gdt_size  equ $-gdt_base  ;GDT大小
gdt_limit equ gdt_size    ;GDT限制
times 60 dq 0  ;预留60个描述符的空位置
;以下定义一个数用来保存笔记本的内存大小,以上一共0x200个字节(64*8=0x200)
total_mem_bytes  dd 0
;----------定义段选择子-------------
selector_code equ (0x0001<<3)+ti_gdt+rpl0
selector_data equ (0x0002<<3)+ti_gdt+rpl0
selector_video equ (0x0003<<3)+ti_gdt+rpl0
;定义gdt的指针,前2个字节为gdt界限,后4个字节为gdt起始地址
gdt_ptr dw gdt_limit
        dd gdt_base
;-----定义ards结构体数量-------------
 ards_buf times 244 db 0
 ards_nr dw 0		      ;用于记录ards结构体数量
 
;以上一共0x300个字节------------------
loader_start:
;-------  int 15h eax = 0000E820h ,edx = 534D4150h ('SMAP') 获取内存布局  -------
   xor ebx, ebx		      ;第一次调用时，ebx值要为0
   mov edx, 0x534d4150	      ;edx只赋值一次，循环体中不会改变
   mov di, ards_buf	      ;ards结构缓冲区
.e820_mem_get_loop:	      ;循环获取每个ARDS内存范围描述结构
   mov eax, 0x0000e820	      ;执行int 0x15后,eax值变为0x534d4150,所以每次执行int前都要更新为子功能号。
   mov ecx, 20		      ;ARDS地址范围描述符结构大小是20字节
   int 0x15
   jc .e820_failed_so_try_e801   ;若cf位为1则有错误发生，尝试0xe801子功能
   add di, cx		      ;使di增加20字节指向缓冲区中新的ARDS结构位置
   inc word [ards_nr]	      ;记录ARDS数量
   cmp ebx, 0		      ;若ebx为0且cf不为1,这说明ards全部返回，当前已是最后一个
   jnz .e820_mem_get_loop
;在所有ards结构中，找出(base_add_low + length_low)的最大值，即内存的容量。
   mov cx, [ards_nr]	      ;遍历每一个ARDS结构体,循环次数是ARDS的数量
   mov ebx, ards_buf 
   xor edx, edx		      ;edx为最大的内存容量,在此先清0
.find_max_mem_area:	      ;无须判断type是否为1,最大的内存块一定是可被使用
   mov eax, [ebx]	      ;base_add_low
   add eax, [ebx+8]	      ;length_low
   add ebx, 20		      ;指向缓冲区中下一个ARDS结构
   cmp edx, eax		      ;冒泡排序，找出最大,edx寄存器始终是最大的内存容量
   jge .next_ards
   mov edx, eax		      ;edx为总内存大小
.next_ards:
   loop .find_max_mem_area
   jmp .mem_get_ok
;------  int 15h ax = E801h 获取内存大小,最大支持4G  ------
; 返回后, ax cx 值一样,以KB为单位,bx dx值一样,以64KB为单位
; 在ax和cx寄存器中为低16M,在bx和dx寄存器中为16MB到4G。
.e820_failed_so_try_e801:
   mov ax,0xe801
   int 0x15
   jc .e801_failed_so_try88   ;若当前e801方法失败,就尝试0x88方法
;1 先算出低15M的内存,ax和cx中是以KB为单位的内存数量,将其转换为以byte为单位
   mov cx,0x400	     ;cx和ax值一样,cx用做乘数
   mul cx 
   shl edx,16
   and eax,0x0000FFFF
   or edx,eax
   add edx, 0x100000 ;ax只是15MB,故要加1MB
   mov esi,edx	     ;先把低15MB的内存容量存入esi寄存器备份
;2 再将16MB以上的内存转换为byte为单位,寄存器bx和dx中是以64KB为单位的内存数量
   xor eax,eax
   mov ax,bx		
   mov ecx, 0x10000	;0x10000十进制为64KB
   mul ecx		;32位乘法,默认的被乘数是eax,积为64位,高32位存入edx,低32位存入eax.
   add esi,eax		;由于此方法只能测出4G以内的内存,故32位eax足够了,edx肯定为0,只加eax便可
   mov edx,esi		;edx为总内存大小
   jmp .mem_get_ok
;-----------------  int 15h ah = 0x88 获取内存大小,只能获取64M之内  ----------
.e801_failed_so_try88: 
   ;int 15后，ax存入的是以kb为单位的内存容量
   mov  ah, 0x88
   int  0x15
   jc .error_hlt
   and eax,0x0000FFFF
      
   ;16位乘法，被乘数是ax,积为32位.积的高16位在dx中，积的低16位在ax中
   mov cx, 0x400     ;0x400等于1024,将ax中的内存容量换为以byte为单位
   mul cx
   shl edx, 16	     ;把dx移到高16位
   or edx, eax	     ;把积的低16位组合到edx,为32位的积
   add edx,0x100000  ;0x88子功能只会返回1MB以上的内存,故实际内存大小要加上1MB
.mem_get_ok:
   mov [total_mem_bytes], edx	 ;将内存换为byte单位后存入total_mem_bytes处。
;-----进入保护模式----------
in al,0x92
or al,0000_0010B
out 0x92,al
;----------加载GDT----------
lgdt [gdt_ptr]
;---------cr0第0位置为1,表示打开保护模式-----------
mov eax,cr0
or  eax,0x00000001
mov cr0,eax
jmp dword selector_code:p_mode_start
.error_hlt:		      ;出错则挂起
   hlt
[bits 32]
p_mode_start:
	mov ax,selector_data
	mov ds,ax
	mov es,ax
	mov ss,ax
	mov esp,loader_stack_top
	mov ax,selector_video
	mov gs,ax
	
;创建页目录表
call set_page
sgdt [gdt_ptr]  ;加载GDT
mov ebx,[gdt_ptr+2]
or  dword [ebx+0x18+4] ,0xc0000000  ;+4是因为.段描述的高4字节的段基址是31-24.
;将gdt的基址加上0xc00000000使其成为内核的高地址
add dword [gdt_ptr+2],0xc0000000
add esp,0xc0000000
;-----页目录表赋给cr3-----
mov eax,page_dir_table_pos
mov cr3,eax
;打开cr0的pg位(31位)
mov eax,cr0
or eax,0x80000000
mov cr0, eax
lgdt[gdt_ptr] 
mov byte [gs:160],'V'
jmp $
;------------创建页目录表以及页表
set_page:
	mov ecx,4096
	mov esi,0
.clear_page_dir:
	mov byte [page_dir_table_pos +esi],0
	inc esi
	loop .clear_page_dir
;-------创建PDE-------
create_pde:
	mov eax,page_dir_table_pos
	add eax,0x1000  ;页表地址
	mov ebx,eax   ;ebx指向第一个页表地址
	
	or eax, pg_us_u | pg_rw_w | pg_p
	
	mov [page_dir_table_pos +0x0],eax ;将第一个页表写到页目录表的第一项
	mov [page_dir_table_pos+0xc00],eax ;一个页表项占用4字节,0xc00表示第768个页表占用的目录项,0xc00以上的目录项用于内核空间
	sub eax,0x1000 
	mov [page_dir_table_pos+4092],eax ;页目录表的最后一个页目录项指向它自己
	
	
;---------创建页表项pte-------------
mov ecx,256            ;1M低端内存/4k=256
mov esi,0
mov edx,pg_us_u | pg_rw_w |pg_p
.create_pte:
  mov [ebx+esi*4],edx
  add edx,4096
  inc esi
  loop .create_pte
;--------创建内核跟页表的pde
mov eax,page_dir_table_pos
add eax,0x2000 ;指向第二个页表
or eax,pg_us_u | pg_rw_w | pg_p
mov ebx,page_dir_table_pos
mov esi,769
mov ecx,254
.create_kernel_pde:
	mov [ebx+esi*4],eax
	inc esi
	add eax,0x1000
	loop .create_kernel_pde
	ret