操作系统真象还原_访问vaddr对应的pte

## 代码 \boot\loader6_3.s ``` ;第二步： ;将页目录表物理地址赋值给cr3寄存器，分页机制打开前要将页表地址加载到控制寄存器cr3中 mov eax, PAGE_DIR_TABLE_POS ; PAGE_DIR_TABLE_POS = 0x100000 mov cr3, eax ```

\kernel\memory.c

/** 
 * 功能：
 *      得到参数vaddr所在的pte指针，指针的值也就是虚拟地址。
 *      通过vaddr构造一个新的虚拟地址new_vaddr，该新地址能够访问到vaddr所在pte。
 * 参数：
 *      vaddr   虚拟地址，分为三个部分，0000_0000_00|0000_0000_00|0000_0000_0000
 *                                      pde_num      pte_num      p_add
 * 说明：
 *      处理器第一次当成页目录表处理，第二次当成页表处理，第三次当成普通页处理
 * 
 *      分三步：
 *          第一步，CPU将页目录表当成页目录表
 *          第二步，CPU将页目录表当成页表
 *          第三步，CPU将页目录表当成页（也就是页帧）
 */
uint31_t *pte_ptr(uint32_t vaddr)
{
    // 0xffc00000 = 1111 1111 1100 0000 0000 0000 0000 0000 
    // 1111_1111_11b=0x3ff=1023 
    uint32_t *pte = (uint32_t *)(0xffc00000  // new_vaddr的页目录项下标，只是为了获得页目录表的物理地址
                    + ((vaddr & 0xffc00000) >> 10)  // 真正的页目录项下标，在cpu眼里是页表项下标
                    + PTE_IDX(vaddr) * 4);  // 真正页表项下标，在cpu眼里是普通页中的地址
    
    // 得到一个新的地址，新地址高10位必定是0xffc；中间10位是vaddr的高10位；低12位中的高10位是vaddr的中间10位。
    return pte;
}

/** 
 * 功能：
 *      根据vaddr来构造一个新的32位地址new_vaddr。
 * 参数：
 *      vaddr                   虚拟地址                
 * 说明：
 *      new_vaddr为虚拟地址vaddr对应的pde的指针得到虚拟地址vaddr所在pde的指针，也就
 *      是返回能够访问该pde的虚拟地址。
 */
uint32_t *pde_ptr(uint32_t vaddr)
{
    /* 0xfffff是用来访问到页表本身所在的地址，如果new_vaddr的低12位为0，则访问到的是页表的起始虚拟地址 */
    uint32_t *pde = (uint32_t *)((0xfffff000) + PDE_IDX(vaddr) * 4);
    return pde;
}
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MMU机制

页目录表物理地址已经存放在cr3寄存器，只要开启了分页机制，任何地址在CPU眼里都要cr3+pde_num*4找到页目录项，从页目录项中取出页表的地址；再用页表地址+pte_num*4找到页表项，再从页表项中找到页框地址；再用p_add在该页框中定位具体地址。

正常虚拟地址访问

假如vaddr = 0x7ffdac7f = (0111 1111 11)(11 1101 1010) 1100 0111 1111
             pde_num   pte_num   p_add

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• 第一步：
  • 1：MMU从cr3中取出页目录表的物理地址。
  • 2：MMU用cr3中的页目录表的物理地址+511*4定位到页目录项的物理地址。
• 第二步：
  • 1：MMU从下标为511的页目录项中取出页表的物理地址。
  • 2：MMU用页表的物理地址+986*4，定位到对应的页表项的物理地址。
• 第三步：
  • 1：MMU从下标为986的页表项中取出普通页框的物理地址。
  • 2：MMU用普通页框的物理地址+ 3199，从而定位到了真正的物理地址。

为什么要构造虚拟地址vaddr对应的pte指针

虚拟地址vaddr从虚拟地址池分配出来后，是无法访问的，因为没有建立物理地址映射。为此需要在页目录表中建立所在的页目录项和页表项。

虚拟地址范围与页目录项是一一对应的关系的，同样与页表项也一一对应，这种对应关系是固定的。4G范围的虚拟地址空间对应1024个页目录项，同样4M范围的虚拟地址对应1024个页表项。

虚拟地址空间与页表项、页目录项对于关系

虚拟地址vaddr = 0x7ffdac7 f对应页目录项下标为511，对应的页表项下标为986。也就是访问vaddr必须通过下标为511页目录项和下标为986页表项中转。因此，要将下标为986的页表项所在页表的物理地址存入下标为511页目录项中，要将普通页框的物理地址下标为986页表项中。

这就是函数pde_ptr()和pte_ptr()存在的意义。利用vaddr与页目录项和页表项一一对应的关系，计算出要操作哪个页目录项和页表项，从而改写目录项与页表项中的内容，建立物理地址与虚拟地址的映射关系。

构造虚拟地址vaddr对应的pte指针

要构造一个新的虚拟地址new_vaddr，该新地址要能够访问到vaddr所在pte。也就是得到虚拟地址 vaddr 对应的 pte 指针。

将vaddr作为参数，调用pte_ptr()得到：

*pte = (uint32_t *)(0xffc00000 + ((0x7ffdac7f & 0xffc00000) >> 10) 
                    + ((0x7ffdac7f & 0x003ff000) >> 12) * 4); 
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0x7ffdac7f = 0111 1111 1111 1101 1010 1100 0111 1111
0xffc00000 = 1111 1111 1100 0000 0000 0000 0000 0000

(0x7ffdac7f & 0xffc00000) = 0x7fc00000 = 0111 1111 1100 0000 0000 0000 0000 0000
= (uint32_t *)(0xffc00000 + (0x7fc00000 >> 10) + ((0x7ffdac7f & 0x003ff000) >> 12) * 4)

0x7fc00000 >> 10 = 0111 1111 1100 0000 0000 00 = 0x1ff000
= (uint32_t *)(0xffc00000 + 0x1ff000 + ((0x7ffdac7f & 0x003ff000) >> 12) * 4)

(0x7ffdac7f & 0x003ff000) = 0x3DA000 = 0011 1101 1010 0000 0000 0000
= (uint32_t *)(0xffc00000 + 0x1ff000 + (0x3DA000 >> 12) * 4)

0x3DA000 >> 12 = 0011 1101 1010 00 = 0x3da
0x3da * 4 = 0xf68
= (uint32_t *)(0xffc00000 + 0x1ff000 + 0xf68)

0xffc00000 = 1111 1111 1100 0000 0000 0000 0000 0000
0x1ff000 = 0000 0000 0001 1111 1111 0000 0000 0000
0xf68 = 0000 0000 0000 0000 0000 1111 0110 1000

0xffc00000 + 0x1ff000 + 0xf68 = 0xFFDFFF68
= (1111 1111 11)(01 1111 1111) (1111 0110 1000)
pde_num    pte_num    p_add
= (uint32_t *)(0xFFDFFF68)

因此得到：

• pde_num = 0x3ff
• pte_num = 0x1ff
• p_add = 0xf68

访问vaddr对应的pte

由于页目录表中的最后一个页目录项（也就是下标为1023的页目录项）中存储的是页目录表的物理地址，所以只要给出的虚拟地址new_vaddr的高十位是0x3ff，那么，原本new_vaddr的中间10位访问的是别的页表中的页表项就不会发生，相反，new_vaddr的中间10位（原本作为页表项的下标）仍然访问的页目录项的物理地址。new_vaddr的低12位访问的才是别的页表的页表项。

• 第一步：
  • 1：MMU从cr3中取出页目录表的物理地址。
  • 2：MMU用cr3中的页目录表的物理地址+1023*4定位到页目录项的物理地址。
• 第二步：
  • 1：MMU从下标为1023的页目录项中再次取出页目录表的物理地址。
  • 2：MMU用下标为1023的页目录项中存储的页目录表的物理地址+511*4，再次定位到对应页目录项的物理地址。
• 第三步：
  • 1：MMU从下标为511的页目录项中取出页表的物理地址。
  • 2：MMU用下标为511的页目录项中存储的页表的物理地址+3944，从而定位到vaddr对应的pte的物理地址。

总结

当正常访问vaddr时，页目录表访问一次，页表访问一次，普通页框访问一次。
当访问vaddr对应的pte时，页目录表访问两次，页表访问一次。