Страничная организация и таблицы страниц

Адрес = номер страницы + смещение

Если размер страницы P = 2ᵏ байт, то младшие k бит виртуального адреса — смещение внутри страницы, а старшие — номер виртуальной страницы (VPN).

виртуальный адрес (32 бита), страница 4 КиБ = 2^12 ┌──────────────────────────────┬──────────────┐ │ номер страницы (20 бит) │ смещение (12) │ └──────────────┬───────────────┴──────┬───────┘ │ таблица страниц │ копируется как есть ▼ │ номер кадра (PFN) │ ┌──────────────────────────────┬──────▼───────┐ │ номер кадра │ смещение │ физический адрес └──────────────────────────────┴──────────────┘

Смещение при трансляции не меняется — меняется только номер страницы на номер кадра.

Запись таблицы страниц

Таблица страниц — массив записей (PTE, page table entry), индексируемый номером страницы. Запись i386 (32 бита):

31 12 11 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ┌──────────────────────────────────┬─────┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┬───┐ │ номер физического кадра (20 бит)│ AVL │ G │PAT│ D │ A │PCD│PWT│U/S│R/W│ P │ └──────────────────────────────────┴─────┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┴───┘

Бит	Имя	Смысл
P	Present	страница в физической памяти; если 0 — обращение вызывает страничный отказ
R/W	Read/Write	разрешена запись (0 — только чтение; так помечаются COW-страницы)
U/S	User/Supervisor	доступна из режима пользователя
A	Accessed	процессор устанавливает при любом обращении к странице
D	Dirty	процессор устанавливает при записи в страницу
G	Global	не сбрасывать из TLB при смене cr3 (страницы ядра)
AVL	Available	биты для нужд ОС

На x86-64 запись 64-битная, добавлен бит NX (запрет выполнения).

Биты A и D — задача 5

Аппаратура ставит A и D автоматически, ничего не спрашивая у ядра. Ядро (подсистема управления памятью, страничный демон) их читает и сбрасывает: по биту A понимает, какие страницы давно не использовались (кандидаты на вытеснение), по биту D — нужно ли перед вытеснением записать страницу на диск. Подробно — в уроке о замещении страниц.

Трансляция адреса

При каждом обращении к памяти MMU:

берёт номер страницы из адреса;
ищет его в TLB (кеше трансляций) — если нашёл, сразу получает кадр;
если нет — обходит таблицы страниц в памяти, начиная с адреса из cr3;
проверяет P, R/W, U/S: если страницы нет или доступ запрещён — страничный отказ (исключение #PF, адрес — в регистре cr2);
ставит A (и D при записи) в записи таблицы, кладёт трансляцию в TLB;
складывает номер кадра и смещение — физический адрес.

Страничный отказ

Обработчик ядра получает адрес из cr2 и код ошибки (чтение/запись, пользователь/ядро, отсутствует/нарушение прав) и решает:

Ситуация	Действие ядра
адрес в допустимой VMA, страница ещё не выделялась	выделить кадр (обнулённый), заполнить PTE
страница выгружена на диск (swap)	прочитать с диска, заполнить PTE
страница файла, не прочитана	прочитать из файла (или из кеша страниц)
запись в COW-страницу	скопировать в новый кадр, разрешить запись
адрес вне VMA или нарушение прав	`SIGSEGV` (за концом файла — `SIGBUS`)

Регистр cr3

cr3 хранит физический адрес таблицы верхнего уровня текущего процесса. Ядро загружает его при переключении процессов. Это привилегированная операция, и она (без PCID) сбрасывает TLB — ведь трансляции старого процесса больше не верны.

Расчёт числа бит

Удобная схема для любой задачи:

Величина	Формула
бит смещения	log₂(размер страницы)
записей в одной таблице (если таблица занимает страницу)	размер страницы / размер записи
бит индекса на уровень	log₂(число записей)
адресуемых бит	смещение + уровни × бит индекса

Пример i386: страница 4096 → 12 бит; запись 4 байта → 1024 записи → 10 бит; 2 уровня: 12 + 2·10 = 32 бита.

Поменяйте в симуляторе размер страницы на 512, запись — 8 байт, уровни — 4: это параметры задачи 7.

Итог

Адрес = номер страницы + смещение; смещение не меняется при трансляции.
Запись таблицы: номер кадра + биты P, R/W, U/S, A, D, G.
A и D устанавливает аппаратура, сбрасывает ядро.
cr3 указывает на таблицы текущего процесса; при промахе TLB MMU обходит таблицы, при проблеме — страничный отказ.

	Устанавливает аппаратура (MMU)	Устанавливает ядро	Сбрасывает ядро
P (present) — страница в памяти
R/W — разрешена запись
A (accessed) — к странице обращались
D (dirty) — в страницу писали