参考文档：3.6、3.7、3.8、3.9节
INTEL技术白皮书.pdf

1.分页机制下的线性地址转换

1.1线性地址转换（4KB页）

• 在4KB的分页机制下，线性地址被分为3部分：
  • 页目录表项（第22-31位）：作为一个页目录表项在页目录中的偏移量。这个页目录表项提供了一个页表的物理基地址。
  • 页表项（第12-21位）：提供了一个表项在所选的页表中的偏移量。这个表项提供了物理内存页的物理基地址。
  • 页偏移量（第0-11位）：提供了该地址在页中的偏移量。
• 线性地址的页目录部分（Directory）占10位，则页目录表可以最大含有2的10次方（1024）个表项；线性地址的页表项部分（Table）占10位，则页表中最大可以含有2的10次方（1024）个表项；所以一共能够定位到的页面数量是1024x1024个。

• 地址转换方式是：

  • 通过线性地址的页目录表项（第22-31位）得到的页目录表项的偏移地址，然后将偏移地址和CR3(PDBR)提供的页目录表的基地址相加得到一个页表的物理地址（页表的物理基地址）。
  • 通过上一步得到的页表的物理基地址和线性地址的页表项（第12-21位）提供的页表项偏移量相加得到一个内存页的物理基地址。
  • 最后通过内存页的物理基地址和线性地址提供的页偏移量（第0-11位）相加，得到最终的物理地址。

    1.2线性地址转换（4MB页）

• 在4MB分页机制下，线性地址被分为2部分：

  • 页目录表项（第22-31位）提供了该表项在页目录中的偏移量。该表项提供·了4MB的页的物理基地址。
  • 页偏移量（第0-21位）提供了该地址在页中的偏移量。

• 地址转换方式是：

  • 通过线性地址的页目录表项（第22-31位）得到一个页目录表项的偏移量，将这个偏移量和CR3(PDBR)提供的页目录基地址相加，得到一个4MB大小的页面的物理内存基地址。
  • 然后使用线性地址的页偏移量（第0-21位）和上一步得到的物理页面的基地址相加，得到最终的物理地址。

    2.页目录项和页表项的结构

• 页目录项也就是指在页目录中的一个表项，页表项也就是在页表中的一个表项：

• 使用4KB分页的页目录项个页表项的结构如下图所示：

• 使用4MB分页时，记录分页信息的只有页目录表，所以只存在页目录表项：

3.逻辑地址、线性地址和物理地址

• 逻辑地址由一个16位的段选择符合一个32位的偏移量组成。段选择符确定该字节位于哪个段，偏移量确定这个字节相对于段基址在这个段中的位置。逻辑地址只是逻辑上存在，实际上物理上不存在。比如我们汇编指令使用寄存器寻址给出的地址：DS:[val]，这就可以看做是一个逻辑地址。
• 线性地址是处理器线性地址空间内的32位的地址。线性地址和物理地址一样，是平坦的（不分段的），空间大小为2的32次方字节。
• 在保护模式下，intel架构提供最大的4GB（2的32次方字节）的物理空间，这是处理器能够在地址总线上寻址的范围。这个地址空间是平坦的（未分段的），范围从0x0000000到0xFFFFFFFF。
• 逻辑地址转换为线性地址的步骤：

1.通过段选择符中的偏移量,在GDT或者LDT中定位该段的段描述符。(仅当一个新的段选择符被读入段寄存器时才执行这一步)。
2.检查段描述符中的访问权限和段的地址范围以确保该段是可访问的,偏移量是在段限长范围内的。
3.将段描述符中的段基址与偏移量相加以构成线性地址。

• 当操作系统在保护模式下，有两种地址映射方式：
  
  • 第一种是在系统默认的分段机制下，直接将线性地址映射到一个大的物理空间（4GB的RAM）。这种情况下，线性地址就是物理地址。
  • 第二种是在开启分页机制时，处理器将线性地址划分为固定尺寸的页（通常一页是4KB），这些页可以被映射到物理内存或者磁盘的存储空间。页在物理内存中的位置保存在两个类型的数据结构中（页目录和页表），这两个数据结构都保存在物理内存中。如果启用了分页，一个数据结构可以部分在内存，部分在磁盘。