保护虚拟模式与存储管理补充知识.ppt
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1、保护虚拟模式与存储管理补充知识,内容提要: 1.32位X86的内部结构,原理及基本工作方式。 2.虚拟存储系统原理,Windows与LINUX存储管理与多任务机制,寄存器组,基本结构寄存器,系统级寄存器,浮点寄存器,调试测试寄存器,1.基本结构寄存器,AH A,31,16,15,X AL,8,7,0,BH B,X BL,CH C,X CL,DH D,X DL,SI,DI,BP,SP,EAX,EBX,ECX,EDX,ESI,EDI,EBP,ESP,CS,SS,DS,ES,FS,GS,IP,FLAGS,指令指针IP,标志寄存器EFLAGS,通用寄存器,段寄存器,代码段,堆栈段,数据段,系统级寄存器
2、,4个控制寄存器,4个系统地址寄存器,P G,C D,N W,.,A M,W P,.,N E,1,T S,E M,M P,P E,Intel保留,页故障线性地址寄存器,页目录值,P C D,P W T,控 制 寄 存 器,CRO,CR1,CR2,CR3,31,24,23,18,16,15,8,7,0,CR0: PE:保护虚拟地址方式的允许位。PE=1,保护方式;PE=0,实方式. PG:分页允许位。PG=1,允许分页部件工作(PE=1);反之禁止。 CD:片内CACHE无效位。若CD=1,片内CACHE不命中时,则不需将所 需信息读入CACHE. NW:片内CACHE非写直达位。NW=0,数据
3、写入CAHCE的同时也写入主存,否则只写入CACHE. WP:页写保护位。WP=1,禁止任何特权级的程序对只读页面进行写入操作。 AM:对界检查控制位。 NE:数据异常位。TS:任务切换位;EM:仿真协处理器位;MP:监视协处理器位 CR2:保留所检测到的上一个页面故障的32位线性地址。 CR3:12-31位保留着一级页表(页目录)的物理基址。PWT,PCD可对CACHE进行控制。,系统地址寄存器又称作保护方式寄存器,仅能在保护方式下使用。 GDTR:全局描述符表寄存器,48位,高32位是全局描述符表的线性基地址,低16位是界限。 如:(GDTR)=0800,0000,0FFFH,则全局描述符
4、表的第一个地址为0800,0000H,末地址为0800,0FFFH,表大小为1000H. IDTR:中断描述符表寄存器,48位,高32位是中断描述符表的线性基地址,低16位是界限。 LDTR:局部描述符表寄存器,用于存放LDT的线性基地址、界限、属性和16位的选择符。 只有16位的选择符是可见的,其它的由硬件自动装入内容。 TR:任务状态寄存器,存放当前正在执行的任务的线性基地址、界限、属性和16位的选择符。只有16位的选择符是可被访问。,3.调试与测试寄存器,8个调试寄存器,5个测试寄存器,断点0线性地址,断点1线性地址,断点2线性地址,断点3线性地址,保留,保留,调试状态寄存器,调试控制寄
5、存器,0,31,DR0,DR7,Cache测试控制,Cache测试数据,Cache测试状态,TLB测试控制,TLB测试状态,0,31,TR3,TR7,DR0-DR3用于设置数据存取和代码执行断点; DR7是调试控制寄存器,用于选择调试功能和设置断点; DR6用于指明断点的当前状态。 测试寄存器用于测试自身的片内CACHE和转换用旁视缓冲区(TLB)。,微处理器的地址空间,1.存储地址空间,虚拟空间,线性空间,物理空间,虚拟空间又称逻辑空间,是应用程序员编写程序的空间。246(64TB),物理空间又称主存空间,是存储器的实际空间。232(4GB),80486采用段页式虚拟存储器。将程序按逻辑结构
6、分段,每段再分为若干大小相同的页;主存空间也划分为若干同样大小的页。建立相应的段表和页表,分两级查表实现虚实地址转换。以页为单位调进或调出主存,按段共享与保护程序与数据。80486 段号为16位,段内地址为32位,因此最多可将整个虚拟空间分为64K段,每段4GB。,2.输入输出(I/O)空间,80486有两个独立的物理空间:储存空间、I/O空间,4GB,64K,物理存储空间,物理I/O空间I/O,00000000H,FFFFFFFFH,00000000H,0000FFFFH,可访问,不可访问,工作模式简介,实地址模式,保护虚拟模式,两种工作模式:,2.3.1.实地址模式,1.存储空间及实地址模
7、式下的编址,实地址模式下的存储空间为220,及1M字节。 物理地址的形成方式:段寄存器内容左移4位加上有效地址。 如:CS内容为1000H,IP为8888H,则实地址模式下的物理地址为: 1000H16+8888H18888H,在实地址模式下,有两个物理存储空间是需要保留的: 地址0000,0000H-0000,03FFH是中断向量区,每个中断向量占用4个字节; 地址FFFF,FFF0HFFFF,FFFFH为系统初始化区,当加电或复位时,物理地址 自动置为FFFF,FFF0H。,2.保留的地址空间,保护虚拟地址模式,80486工作在保护虚拟地址模式时,充分发挥了80486所具有的存储管理功能和
8、硬件支撑的保护机制,为多用户操作系统的设计提供有力的支持。同时在保护方式下,80486也允许运行已有的8086、80286、80386的软件。,1.保护概念 在程序运行过程中,应防止应用程序破坏系统程序、某一应用程序破坏其它应用程序、错误地把数据当作程序运行等情况的出现。为避免出现这些情形所采取的措施称作“保护”。,操作系统内核,系统服务及接口,应用程序,0,1,2,3,80486 4级特权保护,特权规则:特权级P存储在某段上的数据,只能由不低于P的特权级访问;具有特权级P的的程序或过程只能由不高于P级上执行的任务调用。,2.存储空间 在保护方式下,80486可为每个任务提供232(4GB)字
9、节的物理空间,并允许程序在246(64TB)的逻辑空间中运行。,3.虚拟86环境 80486允许在实方式下和保护方式下执行8086的应用程序。有了虚拟86方式,486允许同时执行8086操作系统和8086应用程序以及486操作系统和486应用程序。 在虚拟86方式下,还可以与实方式相同的形式使用段寄存器,以形成线性基地址。通过使用分页功能,就可以将虚拟86方式下的1M地址空间映象到486的4GB的物理空间的任何位置。,存储系统,存储系统的基本概念 为了解决速度、容量、价格之间的矛盾,人们提出存储系统的概念,如图, M1速度最快,容量最小,每位价格最高; Mi速度大于Mi+1 , Mi容量小于M
10、i+1 , Mi每位价格高于Mi+1 ;整个存储系统访问速度近似于M1 ,每位价格近似于Mn ,容量不小于Mn.,虚拟存储器是为了增加存储系统的存储容量; CACHE是为了提高存储器的速度。,虚拟存储器 基本概念 由主存储器和辅助存储器共同组成。速度接近于主存,每位价格与辅存相近。,1.地址空间与地址 虚拟存储器有3种地址空间及对应3种地址。 虚拟地址空间是应用程序员编写程序的地址空间。其地址称为虚地址。 主存空间称为实存地址空间,是存储、运行程序的空间,其地址称为主存物理地址。 辅助地址空间也就是磁盘存储器的地址空间,是用来存放程序的空间,其地址称辅存地址。,工作原理,逻辑地址,地址变换,物
11、理地址,外地址变换,辅存地址,替换算法,I/O机构,主存储器,辅助存储器,段式存储器 一个程序由多个模块组成,特别是在结构化程序设计思想提出后,程序的模块性就更强了。组成程序的模块大小可以各不相同,但每个模块都是一个特定功能的独立程序段。当某程序段从辅存调入主存,只要由系统赋予该段一个基址,就可以把基址和每个单元在段内的相对位移量组合在一起,形成这些单元在主存中各自的实际地址。,1.地址映像与变换 在段式存储器中,每个程序都有一个段描述符表(段表),段表的一行称作段描述符,段描述符用来描述模块的基本状况,其基本内容包括基址、界限和访问控制等。基址是装入模块的首地址,界限指该段的长度。,模块3,
12、模块2,模块1,模块0,3K,3K,1K,0.5K,6K,2K,0K,1K,0,1K,1.5K,3K,6K,8K,程序空间,主存空间,段表,基址,界限,访问控制,地址映射,80486的虚地址空间为246即64TB,此空间编程的逻辑地址有46个二进制位,其中低32位是偏移量,高14位是段寄存器中的215位的内容。,二维的虚拟地址必须转换成一维的物理地址,主存中的程序才能执行。 每个任务都有一个虚拟空间。为了避免多个并行任务的多个虚拟地址空间直接映射到同一个物理地址空间,采用线性地址空间隔离虚拟地址空间和物理地址空间。线性空间由一维的线性地址构成,线性地址空间和物理地址空间对等。线性地址空间32位
13、长,4GB。 虚拟地址到物理地址的映射函数在每个任务任务中进行定义,随着任务的切换,映射函数也切换。两个不同的任务,尽管虚拟地址相同,但实际物理地址可以不同。,段寄存器152位,偏移量,.,描述符,.,逻辑地址,32位线性地址,段表,物理地址,45,32,31,0,段描述符与段描述符表 (1)段描述符格式 一个段描述符格式由8个字节组成,是位于主存中的一种数据结构,由系统程序创建。,段界限 70,段界限 158,基址 70,基址158,基址2316,基址3124,P,DPL,S,TYPE,G,D/B,AVL,段界限1916,0,D0,D7,0,7,G:为粒度位,用来确定段界限所使用的长度单位。
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- 关 键 词:
- 保护 虚拟 模式 存储 管理 补充 知识
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