分页机制

分页机制是80x86内存管理机制的第二部分。它在分段机制的基础上完成虚拟（逻辑）地址到物理地址转换的过程。分段机制把逻辑地址转换成线性地址，而分页则把线性地址转换成物理地址。分页可以用于任何一种分段模型。处理器分页机制会把线性地址空间（段已映射到其中）划分成页面，然后这些线性地址空间页面被映射到物理地址空间的页面上。分页机制有几种页面级保护措施，可和分段机制保护机制合用或替代分段机制的保护措施。例如，在基于页面的基础上可以加强读/写保护。另外，在页面单元上，分页机制还提供了用户-超级用户两级保护。

我们通过设置控制寄存器CR0的PG位可以启用分页机制。如果PG=1，则启用分页操作，处理器会使用本节描述的机制将线性地址转换成物理地址。如果PG=0，则禁用分页机制，此时分段机制产生的线性地址被直接用作物理地址。

前面介绍的分段机制在各种可变长度的内存区域上操作。与分段机制不同，分页机制对固定大小的内存块（称为页面）进行操作。分页机制把线性和物理地址空间都划分成页面。线性地址空间中的任何页面可以被映射到物理地址空间的任何页面上。图4-16示出了分页机制如何把线性和物理地址空间都划分成各个页面，并在这两个空间之间提供了任意映射。图中的箭头把线性地址空间中的页面与物理地址空间中的页面对应了起来。

 

图4-16  线性地址空间页面
到物理地址空间页面对应示意图

80x86使用4K（212）字节固定大小的页面。每个页面均是4KB，并且对齐于4K地址边界处。这表示分页机制把232B（4GB）的线性地址空间划分成220（1M = 1048576）个页面。分页机制通过把线性地址空间中的页面重新定位到物理地址空间中进行操作。由于4KB大小的页面作为一个单元进行映射，并且对齐于4K边界，因此线性地址的低12位可作为页内偏移量直接作为物理地址的低12位。分页机制执行的重定位功能可看做把线性地址的高20位转换到对应物理地址的高20位。

另外，线性到物理地址的转换功能被扩展成允许一个线性地址被标注为无效的，而非让其产生一个物理地址。在两种情况下一个页面可以被标注为无效的：①操作系统不支持的线性地址；②对应在虚拟内存系统中的页面在磁盘上而非在物理内存中。在第一种情况下，产生无效地址的程序必须被终止。在第二种情况下，该无效地址实际上是请求操作系统虚拟内存管理器把对应页面从磁盘上加载到物理内存中，以供程序访问。因为无效页面通常与虚拟存储系统相关，因此它们被称为不存在的页面，并且由页表中称为存在（present）的属性来确定。

在保护模式中，80x86允许线性地址空间直接映射到大容量的物理内存（如4GB的RAM）上，或者（使用分页）间接地映射到较小容量的物理内存和磁盘存储空间中。这后一种映射线性地址空间的方法被称为虚拟存储或者需求页（Demand-paged）虚拟存储。

当使用分页时，处理器会把线性地址空间划分成固定大小的页面（长度4KB），这些页面可以映射到物理内存中或磁盘存储空间中。当一个程序（或任务）引用内存中的逻辑地址时，处理器会把该逻辑地址转换成一个线性地址，然后使用分页机制把该线性地址转换成对应的物理地址。

如果包含线性地址的页面当前不在物理内存中，处理器就会产生一个页错误异常。页错误异常的处理程序通常就会让操作系统从磁盘中把相应页面加载到物理内存中（操作过程中可能还会把物理内存中不同的页面写到磁盘上）。当页面加载到物理内存中之后，从异常处理过程的返回操作会使得导致异常的指令被重新执行。处理器用于把线性地址转换成物理地址时所需的信息及处理器产生页错误异常（若必要的话）所需的信息都存储于页目录和页表中。

分页与分段最大的不同之处在于分页使用了固定长度的页面。段的长度通常与存放在其中的代码或数据结构具有相同的长度。与段不同，页面有固定的长度。如果仅使用分段地址转换，那么存储在物理内存中的一个数据结构将包含其所有的部分。但如果使用了分页，那么一个数据结构就可以一部分存储于物理内存中，而另一部分保存在磁盘中。

为了减少地址转换所要求的总线周期数量，最近访问的页目录和页表会被存放在处理器的缓冲器件中。该缓冲器件被称为转换查找缓冲区（Translation Lookaside Buffer，TLB）。TLB可以满足大多数读页目录和页表的请求而无需使用总线周期。只有当TLB中不包含要求的页表项时才会使用额外的总线周期从内存中读取页表项，通常在一个页表项很长时间没有访问过时才会出现这种情况。