Страничная организация памяти. Разработка указателей таблиц и страниц. Формирования физического адреса для 4К-, 2М-и 4М-байтных страниц

В защищенном режиме сегменты могут иметь размер до 4 Гб, что может превышать размер физической памяти. Поэтому в режиме Р-32 кроме сегментной организации реализована страничная организация памяти. Эти две структуры работают независимо. Один сегмент состоит из нескольких страниц (как правило). Границы сегментов и страниц могут не совпадать.   Логические адреса всех задач образуют виртуальную память, которая может достигать 64 Тб. Реально процессор работает с физической памятью. Загрузка виртуальных блоков в физическую память по мере необходимости называется свопингом, или подкачкой. Эти действия выполняются на уровне страниц. Страницы имеют фиксированный размер – 4Кб, 2Мб, 4Мб, который позволяет эффективно выполнять свопинг. 

Страничная организация разрешается старшим разрядом регистра CR0 – PG (Paging). При этом полученный после сегментного преобразования 32-разрядный линейный адрес преобразуется в 32-разрядный физический адрес. Процесс преобразования еще называют трансляцией адреса. Алгоритм трансляции адреса (для 4Кб страниц):

В исходном линейном адресе младшие 12 разрядов действительно являются адресом внутри страницы и никогда не меняются при преобразованиях. Старшая часть линейного адреса разбита на две части по 10 разрядов. Одна из них является индексом в каталоге (максимум – 1024 элементов), другая – индексом в таблице страниц (максимум – 1024 элементов). С каждым элементом каталога связана своя таблица страниц, а каждый элемент таблицы страниц хранит физический адрес одной страницы в памяти. В регистре CR3 хранится начальный адрес каталога страниц.

   Элементами каталога являются PDE, а элементами таблицы страниц – PTE. Элементы PDE и PTE имеют одинаковую структуру:
0: P (Present) – флаг присутствия. Показывает, имеется ли в данный момент данная страница в ОЗУ.
1: R/W
2: User/System

   Биты 2 и 1 задают права доступа к странице:

3: PWT (Page Level Write Through) – кэширование на уровне страниц. PWT=0 – Write Through, PWT=1 – Write Back/
4: PCD (Page Level Cache Disable) – запрет кэширования страниц.
5: A (Access - )флаг доступа. Показывает, было ли обращение к данной странице.
6: D (Dirty - )флаг мусора. Равен 1, если в соответствующую страницу/таблицу была запись информации, т.е. при записи страницы ее надо скопировать на диск.
7: PS (Page Size) (только для таблиц). PS=0 – 4Kb, PS=1 – 4Mb/2Mb/
8: G (Global) (только для станиц). G=1 – страница глобальная.
9-11: резерв для ОС.
12-31: Указатель на таблицу страниц (для PDE), либо на страницу (для PTE).
Для 4Мб страниц поле смещения в линейном адресе занимает 22 младших разряда, а 10 старших разрядов – индекс в каталоге таблиц. Таблицы страниц отсутствуют.