Виртуальная память Pentium 4

Pentium 4 имеет сложную систему виртуальной памяти, которая поддерживает вызов страниц по требованию, чистую сегментацию и сегментацию с разбиением на страницы. Виртуальная память состоит из двух таблиц: LDT (Local Descriptor Table - локальная таблица дескрипторов) и GDT (Global Descriptor Table - глобальная таблица дескрипторов). Каждая программа имеет собственную локальную таблицу дескрипторов, а единственная глобальная таблица дескрипторов разделяется всеми программами компьютера. Локальная таблица дескрипторов описывает локальные сегменты каждой программы (ее код, данные, стек и т. д.), а глобальная таблица дескрипторов - системные сегменты, в том числе самой операционной системы.

Как уже отмечалось в главе 5, чтобы получить доступ к сегменту, Pentium 4 сначала загружает селектор сегмента в один из сегментных регистров. Во время выполнения программы регистр CS содержит селектор сегмента кода, DS -селектор сегмента данных и т. д. Каждый селектор представляет собой 16-разрядное число (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Селектор Pentium 4

Один из битов селектора показывает, является сегмент локальным или глобальным (то есть к какой из двух таблиц дескрипторов, локальной или глобальной, он относится). Еще 13 бит определяют номер элемента в локальной или глобальной таблице дескрипторов, поэтому объем каждой из этих таблиц ограничен значением 8 Кбайт (2¹³) сегментных дескрипторов. Оставшиеся два бита связаны с защитой. Мы опишем их позже.

Дескриптор 0 недействителен и вызывает исключение. Его можно загрузить в регистр сегмента, чтобы показать, что регистр сегмента недоступен, но если попытаться использовать дескриптор 0, будет вызвано исключение.

Когда селектор загружается в сегментный регистр, соответствующий дескриптор вызывается из локальной или глобальной таблицы дескрипторов и сохраняется во внутренних регистрах диспетчера памяти, поэтому к нему можно быстро получить доступ. Дескриптор состоит из 8 байт. Сюда входит базовый адрес сегмента, его размер и другая информация (рис. 7.11).

Рис. 7.11. Дескриптор сегмента кода Pentium 4. Сегменты данных практически ничем не различаются

Формат селектора выбран таким образом, чтобы упростить поиск дескриптора. Сначала на основе бита 2 в селекторе выбирается локальная или глобальная таблица дескрипторов. Затем селектор копируется во временный регистр диспетчера памяти, а три младших бита принимают значение 0 - в результате 13-разрядное число селектора умножается на 8. Наконец, к этому значению прибавляется адрес из локальной или глобальной таблицы дескрипторов (который хранится во внутренних регистрах диспетчера памяти), и в результате получается указатель на дескриптор. Например, селектор 72 обращается к элементу 9 в глобальной таблице дескрипторов, который находится в ячейке с адресом GDT + 72.

Давайте проследим, каким образом пара (селектор, смещение) превращается в физический адрес. Как только аппаратно определяется, какой именно регистр сегмента используется, во внутренних регистрах можно найти полный дескриптор, соответствующий данному селектору. Если такого сегмента не существует (селектор 0), или в данный момент он не находится в памяти (Р = 0), вызывается исключение. В первом случае это - программная ошибка; второй случай требует, чтобы операционная система вызвала нужный сегмент.

Затем аппаратно проверяется, не выходит ли смещение за пределы сегмента. Если выходит, то снова вызывается исключение. По логике вещей в дескрипторе должно быть 32-разрядное поле для определения размера сегмента, но там в наличии имеется всего 20 бит, поэтому в данном случае используется совершенно другая схема. Если поле G (Granularity - степень детализации) равно 0, то поле LIMIT (максимальное значение) дает точный размер сегмента (до 1 Мбайт). Если поле G равно 1, то поле LIMIT указывает размер сегмента в страницах, а не в байтах. Размер страницы в компьютере Pentium 4 никогда не бывает меньше 4 Кбайт, поэтому 20 бит достаточно для сегментов размером до 2³² байт.

Если сегмент находится в памяти, а смещение не выходит за границу сегмента, Pentium 4 прибавляет 32-разрядное поле BASE (базовый адрес) в дескрипторе к смещению, в результате чего получается линейный адрес (рис. 7.12). Поле BASE разбивается на три части и разносится по дескриптору, чтобы обеспечить совместимость с процессором 80286, в котором размер BASE составляет всего 24 бита. Поэтому каждый сегмент может начинаться с произвольного места в 32-разрядном адресном пространстве.

Рис. 7.12. Преобразование пары селектор-смещение в линейный адрес

Если разбиение на страницы блокировано (это определяется по биту в глобальном регистре управления), линейный адрес интерпретируется как физический адрес и отправляется в память для чтения или записи. Таким образом, при блокировке разбиения на страницы мы имеем "чистую" схему сегментации, где каждый базовый адрес сегмента присутствует в его дескрипторе. Допускается перекрытие сегментов, поскольку было бы слишком утомительно тратить много времени на проверку того, что сегменты непересекающиеся.

Если же разбиение на страницы разрешено, линейный адрес интерпретируется как виртуальный и отображается на физический адрес с использованием таблиц страниц, почти как в наших примерах. Единственная сложность состоит в том, что при 32-разрядном виртуальном адресе и 32-разрядных страницах 4-килобайтный сегмент может содержать 1 миллион страниц. Поэтому, чтобы сократить размер таблицы страниц для маленьких сегментов, применяется двухуровневое отображение.

Каждая работающая программа имеет специальную таблицу страниц, которая состоит из 1024 32-разрядных элементов. Ее адрес указывается глобальным регистром. Каждый элемент в этой таблице указывает на таблицу страниц, которая также содержит 1024 32-разрядных элементов. Элементы таблицы страниц указывают на страничные кадры. Схема изображена на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Отображение линейного адреса на физический

На рис. 7.13, а мы видим линейный адрес, разбитый на три поля: DIR, PAGE и OFF. Поле DIR используется в качестве индекса в каталоге страниц для нахождения указателя на нужную таблицу страниц. Поле PAGE является индексом в таблице страниц при нахождении физического адреса страничного кадра. Наконец, поле OFF прибавляется к адресу страничного кадра, что позволяет получить физический адрес нужного байта или слова.

Размер каждого элемента таблицы страниц - 32 бита, 20 из которых содержат номер страничного кадра. Оставшиеся биты включают бит доступа и бит изменения, которые устанавливаются аппаратно, чтобы помочь операционной системе, биты защиты и некоторые другие.

В каждой таблице страниц содержатся элементы для 1024 страничных кадров по 4 Кбайт каждый, поэтому одна таблица страниц может работать со значением 4 Мбайт памяти. Сегмент короче 4 Мбайт будет иметь каталог страниц с одним элементом (указателем на его единственную таблицу страниц). Таким образом, непроизводительные издержки для коротких сегментов составляют всего две страницы, а не миллион страниц, как было бы в одноуровневой таблице страниц.

Чтобы избежать повторных обращений к памяти, диспетчер памяти Pentium 4 имеет встроенную аппаратную поддержку для поиска недавно использовавшихся комбинаций полей DIR-PAGE и отображения их на физический адрес соответствующего страничного кадра. Действия, показанные на рис. 7.13, выполняются только в том случае, если текущая комбинация использовалась давно.

При разбиении на страницы значение поля BASE в дескрипторе вполне может быть нулевым. Единственное, для чего нужно поле CODE>BASE, - получить небольшое смещение, чтобы использовать элемент в середине, а не в начале каталога страниц. Поле BASE включено в дескриптор только для реализации чистой сегментации (без разбиения на страницы), а также для обратной совместимости со старым процессором 80286, в котором не было разбиения на страницы.

Отметим, что, если конкретное приложение не нуждается в сегментации и довольствуется единым 32-разрядным адресным пространством со страничной организацией, этого легко достичь. Все сегментные регистры могут быть заполнены одним и тем же селектором, дескриптор которого содержит нулевое поле BASE и максимальное поле LIMIT. Смещение команды будет тогда линейным адресом с единственным адресным пространством, то есть, по сути, получается традиционное разбиение на страницы.

Поиск по сайту: