§ Включение страничного преобразования
Прежде, чем включить в программе страничное преобразование, нужно выполнить следующие действия:- Подготовить описания всех используемых в программе страниц, таблиц страниц и каталога страниц;
- Загрузить адрес начала (базовый адрес) каталога страниц в CR3;
- Разрешить в процессоре страничное преобразование.
§ Подготовка описаний страниц
Мы будем использовать формат страницы в следующем виде:
Формат элемента PTE (элемент таблицы страниц) будет в следующем виде:
Бит Описание 0: P = если страница 1=определена; 2=нет 1: R/W = если страницу можно 1=писать и читать, 0=только читать 2: U/S = 0, т.к. наши примеры пока работают только на нулевом уровне привилегий 3..11: 0 (не используются) 12..31: Старшие 20 бит физического адреса, на который отображена страница.Как видите, нужно будет устанавливать только биты 0 и 1 в элементах PDE и PTE, что мы и будем делать примерно следующим образом:
mov eax, page_address ; Загружаем в EAX выравненный на границу 4Кб адрес страницы. mov al, 3 ; Устанавливаем биты 0 и 1 (все остальные должны быть равны 0). mov PTE_or_PDE, eax ; Записываем готовый элемент PDE или PTE.В примере к этой главе мы будем использовать только первый мегабайт адресного пространства, чтобы не перегружать исходник лишними деталями; первый мегабайт гарантированно есть в любом используемом сейчас компьютере и поэтому не нужно дополнительно определять количество присутствующей физической памяти. В нашем примере мы будем использовать только один элемент каталога страниц - PDE 0, который определит одну таблицу страниц. Этого достаточно, т.к. таблица страниц может покрыть до 4Мб адресного пространства.
В таблице страниц мы определим только первые 256 страниц (т.е. элементов PTE) и зададим им тождественное отображение. Это значит, что линейные адреса будут совпадать с физическими и для элемента PTE 0 базовый адрес будет равен 0000 0000h, для PTE 1 - 0000 1000h, PTE 2 - 0000 2000h и т.д.
256 страниц по 4Кб каждая образуют один мегабайт. Все остальные элементы PTE мы просто очищаем нулями - главное, чтобы бит P (0-й бит в каждом PTE) был равен 0 для неопределённых страниц - тогда процессор не допустит обращения к ним и сгенерирует исключения страничного нарушения.
Все операции по установке элементов PDE и PTE выполняет процедура "set_pages". Эта процедура сбрасывает (т.е. записывает в них нули) все элементы PDE и все PTE в первой и единственной таблице страниц. Затем она устанавливает первый элемент каталога страниц (PDE 0), в котором указывает адрес таблицы страниц и, наконец, устанавливает первые 256 PTE в таблице страниц. В качестве указателя на каталог страниц используется содержимое переменной Page_Directory, которая записывается другой процедурой set_PDBR (о ней - см. дальше).
set_pages proc near ; Установка каталога страниц, PDE 0 и тождественного отображения страниц для ; первого мегабайта. mov ax, Data_selector mov es, ax mov di, Page_Directory ; ES:DI = указатель на каталог страниц. xor eax, eax mov cx, 1024 + 1024 ; Очистка 2-х страниц памяти (по 4Кб). cld push di rep stosd ; Очищаем все элементы каталога страниц ; (PDE 0 .. PDE 1023) и всю первую таблицу ; страниц (соответствующую элементу PDE 0). pop di mov eax, cr3 ; EAX = адрес начала каталога страниц. add eax, 4096 ; Первая таблица страниц (PDE 0) будет ; располагаться сразу за каталогом страниц. mov al, 3 ; Флаги PDE: P=1, R/W = 1 stosd ; Записали PDE 0 add di,4096-4 ; Переходим к таблице страниц xor eax,eax ; Начнём с адреса 0 mov al,3 ; Флаги PTE: P=1, R/W = 1 mov cx,256 ; Установим 256 страниц (они покроют первый мегабайт физической памяти) @@: stosd add eax,4096 loop @b ret endp
§ Загрузка базового адреса каталога страниц в CR3
Вообще говоря, загрузка регистра CR3 должна проводится после того, как будет определена вся используемая структура страниц, но на самом деле не имеет значения, когда вы запишите в CR3 базовый адрес каталога страниц - до тех пор, пока в процессоре не будет разрешено страничное преобразование, этот регистр также не будет использоваться.В нашем примере установка CR3 производится почти в самом начале программы, процедурой "set_PDBR". Дело в том, что каталог страниц и любые таблицы страниц должны находиться целиком в физической странице памяти, т.е. по адресам, кратным 4Кб. Определить эти адреса гораздо проще находясь в режиме реальных адресов, используя значения сегментных регистров - в защищённом режиме понадобилось бы обратиться к GDT, чтобы получить адрес текущего сегмента данных, либо вводить дополнительные переменные.
Процедура "set_PDBR" вычисляет адрес каталога страниц как адрес ближайшей к концу программы свободной физической страницы памяти и помещает его в CR3:
set_PDBR proc near ; Установка значения в PDBR xor eax, eax mov edx, eax mov ax, ds shl eax, 4 mov ebx, eax ; Сохраняем в EBX физический адрес начала ; сегмента данных. lea dx, Last_label ; Last_label - это последняя метка программы. add eax, edx ; EAX = физический адрес последней метки. mov dx, ax and ax, 0f000h ; Сбрасываем младшие 12 бит адреса. sub dx, ax cmp dx, 0 ; Адрес последней метки уже был выравнен ; на границу 4Кб ? je spdbr_1 add ah,10h ; Если нет, то выравниваем его. spdbr_1: mov cr3,eax ; Загрузка адреса в CR3 (т.е. в PDBR). ; По этому адресу будет размещён каталог страниц. sub eax,ebx ; EAX = AX = смещение каталога страниц ; относительно начала сегмента данных. mov Page_Directory, ax ret endpПримечание:
Команда
add ah, 10h здесь используется для выравнивания адреса на границу 4Кб. Эта команда эквивалентна команде add eax,1000h, но, так как в EAX уже находится адрес со сброшенными 12 младшими битами, а добавляем мы dw-число, то код можно сократить add ax,1000h или add ah,10h. Всё-таки, мы пишем на Ассемблере...§ Разрешение в процессоре страничного преобразования
Для того, чтобы включить или, другими словами, разрешить в процессоре страничное преобразование, необходимо установить бит PG (это 31-й бит) в регистре управления CR0.После того, как это будет сделано, нужно выполнить команду перехода - она заставит процессор сбросит конвейер и начать выборку команд уже используя механизм трансляции страниц.
Перед возвратом программы в режим реальных адресов нужно запретить страничное преобразование - сбросить бит PG в CR0 и выполнить команду перехода - в этом случае она заставит процессор при выборке команд не использовать содержимое буферов TLB и программа корректно выйдет в R-Mode.
В нашем примере тождественное отображение для всех страниц устанавливается не потому, что это просто, а потому, что это - надёжно. Если вы включите страничное отображение и какая-либо часть программы (код, стек, данные) будет описываться страницами с не тождественным отображением, то программа может "уйти" по нормальному линейному адресу, указанному в программе на совершенно другой физический адрес, что в любом случае приведёт к нестабильности программы и скорее всего - к зависанию или сбросу процессора.
Для разрешения страничного преобразования в наших примерах будет использоваться процедура "set_paging", для запрещения - "reset_paging":
set_paging: ; Включение страничного преобразования mov eax, cr0 bts eax, 31 ; Устанавливаем 31-й бит (PG) mov cr0, eax jmp @f @@: ret reset_paging: ; Запрещение страничного преобразования mov eax, cr0 btc eax, 31 ; Сбрасываем 31-й бит (PG) mov cr0, eax jmp @f @@: retВ примере оставлен подсчёт времени - теперь только до 2-х секунд. Результатом работы страничного преобразования этого примера есть то, что он работает. Это значит, что страничное отображение было установлено правильно и все элементы PTE и элемент PDE хранят правильные адреса и флаги; в противном случае, процессор попросту зависнет либо произойдёт аппаратный сброс, так как в программе разрешены прерывания.
И всё же изменения в работе примера есть - число, которое останется на экране будет отличаться от того, которое там осталось, если бы вы закомментировали вызов процедуры "set_paging". Оно - больше (на 2-3 процента, но больше). Это результат работы страничного отображения - работают буферы TLB, кэшируя обращения к памяти (TLB - это отдельная тема).
Ещё больший выигрыш в производительности видно с появлением мультизадачности, когда процессору приходится часто пропускать через себя большие объёмы данных.