【自制操作系统10】内存管理系统

本章我们要完成初步的内存管理系统，最终简单实现一个从内核内存池中获取 3 页的内存这样一个函数实现。

一、到目前为止的程序流程图

为了让大家清楚目前的程序进度，画了到目前为止的程序流程图，如下。

图中红色部分就是我们本章的代码在全局流程中的位置，下面蓝色部分是将 malloc_page 方法树状拆解开来看。不考虑太多细节，本章就是完成一个可以 从内存中分配指定页数的内存（代码中为 3 页），并将起始地址打印出来。下面我们看看要怎样实现这个功能。

二、先上代码

主要代码

 1 #include "print.h"
 2 #include "init.h"
 3 void main(void){
 4     put_str("I am kernel\n");
 5     init_all();
 6     // 这就是我们今天主要实现的功能，从内核的内存池中申请到 3 页的内存页
 7     void* addr = get_kernel_pages(3);
 8     put_str("\n get_kernel_pages start vaddr is ");
 9     put_int((uint32_t)addr);
10     put_str("\n");
11     while(1);
12 }

main.c

  1 #include "memory.h"
  2 #include "bitmap.h"
  3 #include "stdint.h"
  4 #include "global.h"
  5 #include "print.h"
  6 #include "string.h"
  7 #include "interrupt.h"
  8 
  9 #define PG_SIZE 4096
 10 #define MEM_BITMAP_BASE 0xc009a000
 11 #define K_HEAP_START 0xc0100000
 12 
 13 #define PDE_IDX(addr) ((addr & 0xffc00000) >> 22) // 虚拟地址高10位，pde
 14 #define PTE_IDX(addr) ((addr & 0x003ff000) >> 12) // 虚拟地址中间10位，pte
 15 
 16 struct pool {
 17     struct bitmap pool_bitmap;
 18     uint32_t phy_addr_start; //本内存池管理的物理内存起始
 19     uint32_t pool_size;
 20 };
 21 
 22 struct pool kernel_pool, user_pool;
 23 struct virtual_addr kernel_vaddr;
 24 
 25 // 在pf表示的虚拟内存池中申请pg_cnt个虚拟页，成功返回起始地址，失败返回NULL
 26 static void* vaddr_get(enum pool_flags pf, uint32_t pg_cnt) {
 27     int vaddr_start = 0, bit_idx_start = -1;
 28     uint32_t cnt = 0;
 29     if (pf == PF_KERNEL) {
 30         bit_idx_start = bitmap_scan(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, pg_cnt);
 31         if (bit_idx_start == -1) {
 32             return NULL;
 33         }
 34         while(cnt < pg_cnt) {
 35             bitmap_set(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx_start + cnt++, 1);
 36         }
 37         vaddr_start = kernel_vaddr.vaddr_start + bit_idx_start * PG_SIZE;
 38     } else {
 39         // 用户内存池，将来再说
 40     }
 41     return (void*)vaddr_start;
 42 }
 43 
 44 // 得到虚拟地址vaddr对应的pte指针
 45 uint32_t* pte_ptr(uint32_t vaddr) {
 46     uint32_t* pte = (uint32_t*)(0xffc00000 + ((vaddr & 0xffc00000) >> 10) + PTE_IDX(vaddr) * 4);
 47     return pte;
 48 }
 49 
 50 // 得到虚拟地址vaddr对应的pde指针
 51 uint32_t* pde_ptr(uint32_t vaddr) {
 52     uint32_t* pde = (uint32_t*)((0xfffff000) + PDE_IDX(vaddr) * 4);
 53     return pde;
 54 }
 55 
 56 //在m_pool指向的物理内存池中分配1个物理页
 57 static void* palloc(struct pool* m_pool) {
 58     //找到一个物理页
 59     int bit_idx = bitmap_scan(&m_pool->pool_bitmap, 1);
 60     if (bit_idx == -1) {
 61         return NULL;
 62     }
 63     // 将此位置1将
 64     bitmap_set(&m_pool->pool_bitmap, bit_idx, 1);
 65     uint32_t page_phyaddr = ((bit_idx * PG_SIZE) + m_pool->phy_addr_start);
 66     return (void*)page_phyaddr;
 67 }
 68 
 69 // 页表中添加虚拟地址_vaddr与物理地址_page_phyaddr的映射
 70 static void page_table_add(void* _vaddr, void* _page_phyaddr) {
 71     uint32_t vaddr = (uint32_t)_vaddr;
 72     uint32_t page_phyaddr = (uint32_t)_page_phyaddr;
 73     uint32_t* pde = pde_ptr(vaddr);
 74     uint32_t* pte = pte_ptr(vaddr);
 75     
 76     // 判断页目录项的p位，为1表示该表已存在
 77     if (*pde & 0x00000001) {
 78         if(!(*pte & 0x00000001)) {
 79             *pte = (page_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
 80         } else {
 81             // pte repeat
 82         }
 83     } else {
 84         // 页目录项不存在，先创建页目录项，再创建页表项
 85         uint32_t pde_phyaddr = (uint32_t)palloc(&kernel_pool);
 86         *pde = (pde_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
 87         memset((void*)((int)pte & 0xfffff000), 0, PG_SIZE);
 88         *pte = (page_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
 89     }
 90 }
 91 
 92 // 分配pg_cnt个页空间，成功返回起始虚拟地址，失败返回NULL
 93 void* malloc_page(enum pool_flags pf, uint32_t pg_cnt) {
 94     // 1 通过 vaddr_get 在虚拟内存池中申请虚拟地址
 95     // 2 通过 palloc 在物理内存池中申请物理页
 96     // 3 通过 page_table_add 将以上得到的虚拟地址和物理地址在页表中完成映射
 97     void* vaddr_start = vaddr_get(pf, pg_cnt);
 98     if (vaddr_start == NULL) {
 99         return NULL;
100     }
101     
102     uint32_t vaddr = (uint32_t)vaddr_start;
103     uint32_t cnt = pg_cnt;
104     struct pool* mem_pool = pf & PF_KERNEL ? &kernel_pool : &user_pool;
105     
106     // 虚拟地址和物理地址逐个映射
107     while (cnt-- > 0) {
108         void* page_phyaddr = palloc(mem_pool);
109         if (page_phyaddr == NULL) {
110             return NULL;
111         }
112         page_table_add((void*)vaddr, page_phyaddr);
113         vaddr += PG_SIZE;
114     }
115     return vaddr_start;
116 }
117 
118 // 从内核物理内存池中申请1页内存，成功返回虚拟地址，失败NULL
119 void* get_kernel_pages(uint32_t pg_cnt) {
120     void* vaddr = malloc_page(PF_KERNEL, pg_cnt);
121     if (vaddr != NULL) {
122         memset(vaddr, 0, pg_cnt * PG_SIZE);
123     }
124     return vaddr;
125 }        
126 
127 // 初始化内存池
128 static void mem_pool_init(uint32_t all_mem) {
129     put_str("  mem_pool_init start\n");
130     uint32_t page_table_size = PG_SIZE * 256;
131     uint32_t used_mem = page_table_size + 0x100000; // 低端1M内存 + 页表大小
132     uint32_t free_mem = all_mem - used_mem;
133     uint16_t all_free_pages = free_mem / PG_SIZE;
134     
135     uint16_t kernel_free_pages = all_free_pages / 2; // 用户和内核各分一半的可用内存
136     uint16_t user_free_pages = all_free_pages - kernel_free_pages;
137     uint32_t kbm_length = kernel_free_pages / 8;
138     uint32_t ubm_length = user_free_pages / 8;
139     uint32_t kp_start = used_mem; // 内核内存池起始
140     uint32_t up_start = kp_start + kernel_free_pages * PG_SIZE;
141     
142     kernel_pool.phy_addr_start = kp_start;
143     user_pool.phy_addr_start = up_start;
144     
145     kernel_pool.pool_size = kernel_free_pages * PG_SIZE;
146     user_pool.pool_size = user_free_pages * PG_SIZE;
147     
148     kernel_pool.pool_bitmap.btmp_bytes_len = kbm_length;
149     user_pool.pool_bitmap.btmp_bytes_len = ubm_length;
150     
151     kernel_pool.pool_bitmap.bits = (void*)MEM_BITMAP_BASE;
152     user_pool.pool_bitmap.bits = (void*)(MEM_BITMAP_BASE + kbm_length);
153     
154     // 输出内存池信息
155     put_str(" kernel_pool_bitmap_start:"); 
156     put_int((int)kernel_pool.pool_bitmap.bits); 
157     put_str(" kernel_pool_phy_addr_start:"); 
158     put_int(kernel_pool.phy_addr_start); 
159     put_str("\n"); 
160     put_str("user_pool_bitmap_start:"); 
161     put_int((int)user_pool.pool_bitmap.bits); 
162     put_str(" user_pool_phy_addr_start:"); 
163     put_int(user_pool.phy_addr_start); 
164     put_str("\n");
165     
166     // 将位图直0
167     bitmap_init(&kernel_pool.pool_bitmap);
168     bitmap_init(&user_pool.pool_bitmap);
169     
170     // 初始化内核虚拟地址位图
171     kernel_vaddr.vaddr_bitmap.btmp_bytes_len = kbm_length;
172     kernel_vaddr.vaddr_bitmap.bits = (void*)(MEM_BITMAP_BASE + kbm_length + ubm_length);
173     kernel_vaddr.vaddr_start = K_HEAP_START;
174     bitmap_init(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap);
175     put_str("   mem_pool_init done\n");
176 }
177 
178 // 初始化内存
179 void mem_init() {
180     put_str("mem_init start\n");
181     //uint32_t mem_bytes_total = (*(uint32_t*)(0xb00));
182     uint32_t mem_bytes_total = 32 * 1024 * 1024;
183     mem_pool_init(mem_bytes_total);
184     put_str("mem_init done\n");
185 }

memory.c

 1  #include "bitmap.h" 
 2  #include "stdint.h" 
 3  #include "string.h" 
 4  #include "print.h" 
 5  #include "interrupt.h" 
 6  
 7  // 位图初始化，把每一位都设置为0
 8  void bitmap_init(struct bitmap* btmp) {
 9      memset(btmp->bits, 0, btmp->btmp_bytes_len);
10  }
11  
12  // 判断bit_idx位是否为1，若为1，则返回true
13  bool bitmap_scan_test(struct bitmap* btmp, uint32_t bit_idx) {
14      uint32_t byte_idx = bit_idx / 8;
15      uint32_t bit_odd = bit_idx % 8;
16      return (btmp->bits[byte_idx] & (1 << bit_odd));
17  }
18  
19  // 在位图中申请连续cnt个位，成功则返回起始位下标，失败返回-1
20  int bitmap_scan(struct bitmap* btmp, uint32_t cnt) {
21      uint32_t idx_byte = 0;
22      // 逐个字节比较
23      while((0xff == btmp->bits[idx_byte]) && (idx_byte < btmp->btmp_bytes_len)) {
24          idx_byte++;
25      }
26      //未找到空闲位，返回-1
27      if(idx_byte == btmp->btmp_bytes_len) {
28          return -1;
29      }
30      // 某字节中找到了空闲位
31      int idx_bit = 0;
32      while((uint8_t)(1 << idx_bit) & btmp->bits[idx_byte]) {
33          idx_bit++;
34      }
35      int bit_idx_start = idx_byte * 8 + idx_bit;
36      // 只需要1位直接返回
37      if (cnt == 1) {
38          return bit_idx_start;
39      }
40      // 需要多于1位，还得继续判断
41      uint32_t bit_left = (btmp->btmp_bytes_len * 8 - bit_idx_start);
42      uint32_t next_bit = bit_idx_start + 1;
43      uint32_t count = 1; // 已找到的空闲位
44      
45      bit_idx_start = -1;
46      while(bit_left-- > 0) {
47          if(!(bitmap_scan_test(btmp, next_bit))) {
48              count++;
49          } else {
50              count = 0;
51          }
52          // 找到连续的cnt个空位
53          if(count == cnt) {
54              bit_idx_start = next_bit - cnt + 1;
55              break;
56          }
57          next_bit++;
58      }
59      return bit_idx_start;
60  }
61      
62  // 将位图btmp的bit_idx位设置为value
63  void bitmap_set(struct bitmap* btmp, uint32_t bit_idx, int8_t value) {
64      uint32_t byte_idx = bit_idx / 8;
65      uint32_t bit_odd = bit_idx % 8;
66      
67      if(value) {
68          // value为1
69          btmp->bits[byte_idx] |= (1 << bit_odd);
70      } else {
71          btmp->bits[byte_idx] &= ~(1 << bit_odd);
72      }
73  }

bitmap.c

头文件及其他

 1 mbr.bin: mbr.asm
 2     nasm -I include/ -o out/mbr.bin mbr.asm -l out/mbr.lst
 3     
 4 loader.bin: loader.asm
 5     nasm -I include/ -o out/loader.bin loader.asm -l out/loader.lst
 6     
 7 kernel.bin: kernel/main.c
 8     gcc -I lib/kernel/ -I lib/ -I kernel/ -c -fno-builtin -o out/main.o kernel/main.c
 9     nasm -f elf -o out/print.o lib/kernel/print.asm -l out/print.lst
10     nasm -f elf -o out/kernel.o kernel/kernel.asm -l out/kernel.lst
11     gcc -I lib/kernel/ -I lib/ -I kernel/ -c -fno-builtin -o out/string.o lib/string.c
12     gcc -I lib/kernel/ -I lib/ -I kernel/ -c -fno-builtin -o out/interrupt.o kernel/interrupt.c
13     gcc -I lib/kernel/ -I lib/ -I kernel/ -c -fno-builtin -o out/init.o kernel/init.c
14     gcc -I lib/kernel/ -I lib/ -I kernel/ -c -fno-builtin -o out/bitmap.o kernel/bitmap.c
15     gcc -I lib/kernel/ -I lib/ -I kernel/ -c -fno-builtin -o out/memory.o kernel/memory.c
16     ld -Ttext 0xc0001500 -e main -o out/kernel.bin out/main.o out/init.o out/interrupt.o out/print.o out/kernel.o out/memory.o out/bitmap.o out/string.o
17     
18 os.raw: mbr.bin loader.bin kernel.bin
19     ../bochs/bin/bximage -hd -mode="flat" -size=60 -q target/os.raw
20     dd if=out/mbr.bin of=target/os.raw bs=512 count=1
21     dd if=out/loader.bin of=target/os.raw bs=512 count=4 seek=2
22     dd if=out/kernel.bin of=target/os.raw bs=512 count=200 seek=9
23     
24 run:
25     make install
26     make only-qemu-run
27     
28 brun:
29     make install
30     make only-bochs-run
31     
32 bdrun:
33     make install
34     make only-bochsdbg-run
35     
36 only-qemu-run:
37     qemu-system-i386 -m 512 target/os.raw
38     
39 only-bochs-run:
40     ../bochs/bin/bochs -f ../bochs/bochsrc.disk -q
41     
42 only-bochsdbg-run:
43     ../bochs/bin/bochs -f ../bochs/bochsrc.disk -q
44     
45 only-run-s:
46     qemu-system-i386 -s -S -m 512 target/os.raw --nographic
47     
48 install:
49     make clean
50     make -r os.raw
51     
52 clean:
53     rm -rf target/*
54     rm -rf out/*
55     rm -rf os.raw
56     rm -rf os.raw.lock
57     rm -rf bochs.out

Makefile

 1 #ifndef __KERNEL_MEMORY_H
 2 #define __KERNEL_MEMORY_H
 3 #include "stdint.h"
 4 #include "bitmap.h"
 5 
 6 enum pool_flags {
 7     PF_KERNEL = 1, // 内核内存池
 8     PF_USER = 2 // 用户内存池
 9 };
10 
11 #define PG_P_1  1    // 页表项或页目录项存在属性位
12 #define PG_P_0  0    // 页表项或页目录项存在属性位
13 #define PG_RW_R 0    // R/W 属性位值, 读/执行
14 #define PG_RW_W 2    // R/W 属性位值, 读/写/执行
15 #define PG_US_S 0    // U/S 属性位值, 系统级
16 #define PG_US_U 4    // U/S 属性位值, 用户级
17 
18 // 虚拟地址池，用于虚拟地址管理
19 struct virtual_addr {
20     struct bitmap vaddr_bitmap;
21     uint32_t vaddr_start;
22 };
23 
24 extern struct pool kernel_pool, user_pool;
25 void mem_init(void);
26 #endif

memory.h

 1 #ifndef __LIB_KERNEL_BITMAP_H 
 2 #define __LIB_KERNEL_BITMAP_H 
 3 #include "global.h" 
 4 #define BITMAP_MASK 1 
 5 struct bitmap { 
 6     uint32_t btmp_bytes_len; 
 7     // 在遍历位图时，整体上以字节为单位，细节上是以位为单位，所以此处位图的指针必须是单字节
 8     uint8_t* bits; 
 9 }; 
10 
11 void bitmap_init(struct bitmap* btmp); 
12 bool bitmap_scan_test(struct bitmap* btmp, uint32_t bit_idx);
13 int bitmap_scan(struct bitmap* btmp, uint32_t cnt); 
14 void bitmap_set(struct bitmap* btmp, uint32_t bit_idx, int8_t value); 
15 #endif

bitmap.h

三、代码解读

整段代码起始就做了两件事

初始化内存池，包括内核内存池与用户内存池。每个内存池分别有 物理的（kernel_pool、user_pool）和 虚拟的（kernel_vaddr、user_vaddr）两种，管理方式是通过 bitmap 这种数据结构实现的
实现申请内存函数，本章仅实现了 get_kernel_pages，即从内核物理内存池中申请1页内存，成功返回虚拟地址，失败NULL

我把上面两件事画在了一张图里，左边展示了我们的内存布局，以及一些关键的数据结构 bitmap 在内存中的位置。右边是最终实现的函数 get_kernel_pages 要做的三件事，即

vaddr_get，从虚拟地址中获取连续可用内存
palloc，从物理内存池中一个个获取可用的物理内存页
page_table_add，通过上面的虚拟地址和物理地址，建立页表

下面我们把每一个关键部分拿出来讲解，并附上关键代码。

初始化内存池

内存池是实现申请内存函数的基础，主要目的就是管理一段内存，说明哪块内存被占用了，哪块内存是空闲的。管理这些内存占用情况的数据结构，用的是 bitmap，每一个比特对应着一块 4K 的内存。

内存池一共分为四个，内核的物理地址内存池、用户的物理地址内存池、内核的虚拟地址内存池、用户的虚拟地址内存池。

管理物理地址的内存池的结构为 pool，两个内存池变量为 kernel_pool，user_pool

struct pool {
    struct bitmap pool_bitmap;
    uint32_t phy_addr_start; //本内存池管理的物理内存起始
    uint32_t pool_size;
};

管理虚拟地址的内存池的结构为 virtual_addr，两个内存池变量本章我们只实现了一个 kernel_vaddr

struct virtual_addr {
    struct bitmap vaddr_bitmap;
    uint32_t vaddr_start; //本内存池管理的虚拟内存起始
};

两个结构只是物理内存池结构比虚拟内存池结构多了一个 pool_size，因为物理地址是有限的，而虚拟地址可以相对来说是无限的。

mem_pool_init 函数就是将这两个结构的三个内存池变量赋好值，代码一目了然，各个值就是上述内存图中所表现的，就不展开叙述了。

申请内存函数 get_kernel_pages 实现

该函数先是从虚拟内存池中获取指定页数的连续内存（vaddr_get），获取到之后，再循环调用从物理内存池中获取一页一页的物理内存（palloc），每获取到一个物理内存，就将虚拟内存与物理内存的映射关系加入到页表（page_table_add）。

先看 vaddr_get 函数

 1 static void* vaddr_get(enum pool_flags pf, uint32_t pg_cnt) {
 2     int vaddr_start = 0, bit_idx_start = -1;
 3     uint32_t cnt = 0;
 4     if (pf == PF_KERNEL) {
 5         bit_idx_start = bitmap_scan(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, pg_cnt);
 6         if (bit_idx_start == -1) {
 7             return NULL;
 8         }
 9         while(cnt < pg_cnt) {
10             bitmap_set(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx_start + cnt++, 1);
11         }
12         vaddr_start = kernel_vaddr.vaddr_start + bit_idx_start * PG_SIZE;
13     } else {
14         // 用户内存池，将来再说
15     }
16     return (void*)vaddr_start;
17 }

该函数如果不考虑 bitmap 底层实现，则非常容易理解，就是利用 bitmap 的数据结构，调用 bitmap_scan 搜索出一片连续的内存，再调用 bitmap_set 将申请到的内存位图部分设置为 1（已用），最后通过公式

vaddr_start = kernel_vaddr.vaddr_start + bit_idx_start * PG_SIZE;

得出 所获得的虚拟地址的起始的虚拟内存地址（好绕哈哈）

再看 palloc 函数

 1  //在m_pool指向的物理内存池中分配1个物理页
 2  static void* palloc(struct pool* m_pool) {
 3      //找到一个物理页
 4      int bit_idx = bitmap_scan(&m_pool->pool_bitmap, 1);
 5      if (bit_idx == -1) {
 6          return NULL;
 7      }
 8      // 将此位置1将
 9      bitmap_set(&m_pool->pool_bitmap, bit_idx, 1);
10      uint32_t page_phyaddr = ((bit_idx * PG_SIZE) + m_pool->phy_addr_start);
11      return (void*)page_phyaddr;
12  }

不多说了，跟上面的函数其实是一模一样的，只不过是获得一个物理页而不是多个，最终返回了 所获得的物理地址的起始的物理地址。

最后看 page_table_add 函数

 1 // 页表中添加虚拟地址_vaddr与物理地址_page_phyaddr的映射
 2 static void page_table_add(void* _vaddr, void* _page_phyaddr) {
 3     uint32_t vaddr = (uint32_t)_vaddr;
 4     uint32_t page_phyaddr = (uint32_t)_page_phyaddr;
 5     uint32_t* pde = pde_ptr(vaddr);
 6     uint32_t* pte = pte_ptr(vaddr);
 7     
 8     // 判断页目录项的p位，为1表示该表已存在
 9     if (*pde & 0x00000001) {
10         if(!(*pte & 0x00000001)) {
11             *pte = (page_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
12         } else {
13             // pte repeat
14         }
15     } else {
16         // 页目录项不存在，先创建页目录项，再创建页表项
17         uint32_t pde_phyaddr = (uint32_t)palloc(&kernel_pool);
18         *pde = (pde_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
19         memset((void*)((int)pte & 0xfffff000), 0, PG_SIZE);
20         *pte = (page_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
21     }
22 }

该函数也很好理解，前面两个函数已经获得了一个个的虚拟内存，并且也获得了一个个的物理内存，这两个值作为入参进入本函数，最终创建了一个个的页目录项（如果没有），和一个个的页表项。

简单说最重要的就是后面画黄线的两条赋值语句

*pde = (pde_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);
*pte = (page_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);

最终我们的 main 函数里是申请了 3 页的内存空间，所以 page_table_add 这个函数也会被调用三次，我把这三次的关键值都打了出来

	vaddr	page_phyaddr	创建页目录项	*pde	*pte	pde_value	pte_value
第一次	C0100000	200000	否	0xFFFFFC00	0xFFF00400	已有页目录项，无需	200007
第二次	C0101000	201000	否	0xFFFFFC00	0xFFF00404	已有页目录项，无需	201007
第三次	C0102000	202000	否	0xFFFFFC00	0xFFF00408	已有页目录项，无需	202007

拿第一次举例，本函数就是要将虚拟地址 C0100000 和物理地址 200000 通过页表建立关系，通过页表创建关系要算出四个值

需要赋值的页目录项地址 *pde
需要给该页目录项赋的实际值 pde_value
需要赋值的页表项地址 *pte
需要给改页表项赋的实际值 pte_value

其中 2 和 4 的值好说，由于已经存在页目录项，所以页目录项赋值这一步就省略了。然后页表项赋的值，就是最终要映射的物理地址的值的高 20 位以及需要的属性，也就是 200007。关于这块有疑问的，可以回顾一下【自制操作系统05】开启内存分页机制，在这里我只把关键的页表图贴出来。

页目录项和页表项结构

我们已经赋值的页目录表和页表

虚拟地址到物理地址的转换

对于 1 和 3，也就是需要赋值的页目录项和页表项的地址，我觉得是不太好读懂的代码

 1 // 得到虚拟地址vaddr对应的pte指针
 2 uint32_t* pte_ptr(uint32_t vaddr) {
 3     uint32_t* pte = (uint32_t*)(0xffc00000 + ((vaddr & 0xffc00000) >> 10) + PTE_IDX(vaddr) * 4);
 4     return pte;
 5 }
 6 
 7 // 得到虚拟地址vaddr对应的pde指针
 8 uint32_t* pde_ptr(uint32_t vaddr) {
 9     uint32_t* pde = (uint32_t*)((0xfffff000) + PDE_IDX(vaddr) * 4);
10     return pde;
11 }

但我们先倒推一下还是很好理解的，还是拿第一次的数据举例，页目录项地址 *pde = 0xFFFFFC00，页表项地址 *pte = 0xFFF00400。首先你要明确的是，这是虚拟地址，通过我们之前总结出的页表映射关系

0x00000000-0x000fffff -> 0x000000000000-0x0000000fffff
0xc0000000-0xc00fffff -> 0x000000000000-0x0000000fffff
0xffc00000-0xffc00fff -> 0x000000101000-0x000000101fff
0xfff00000-0xffffefff -> 0x000000101000-0x0000001fffff
0xfffff000-0xffffffff -> 0x000000100000-0x000000100fff

可以得出它们对应的物理地址分别是 *pde = 0x100C00，*pte = 0x101400。再把第二次和第三次都算出来，在页表图中的表现就是：

在已存在的页目录项 0x100C00 中，添加三个页表项，分别指向需要映射的物理地址。如下！

从结果上看，感觉正是我们所需要的，在原有页表基础上，往下找位置插入而已。

插入好新页表项后，页表映射关系变成了下面这样，红色为新增。很好理解，因为第 0 个和第 768 个页目录项都对应着第一个页表，我们在第一个页表中添加了三个（连续的就被合并成一个映射关系展示了）页表项目，所以自然就多了两处地址映射关系

0x00000000-0x000fffff -> 0x000000000000-0x0000000fffff
0x00100000-0x00102fff -> 0x000000200000-0x000000202fff
0xc0000000-0xc00fffff -> 0x000000000000-0x0000000fffff
0xc0100000-0xc0102fff -> 0x000000200000-0x000000202fff
0xffc00000-0xffc00fff -> 0x000000101000-0x000000101fff
0xfff00000-0xffffefff -> 0x000000101000-0x0000001fffff
0xfffff000-0xffffffff -> 0x000000100000-0x000000100fff

倒推之后，再来品一品这个代码，这也解决了我们之前所说的，如何通过一个虚拟地址，找到它所在的页目录表和页表。思路是，我们首先能够通过这个 vaddr，能推出页目录项和页表项的物理地址。拿页目录项的物理地址来说，我们需要拼凑出一个页目录项的虚拟地址，让其可以访问到此页目录项的物理地址，涉及到了一些奇怪的技巧。我这里不想展开说这段代码了，只要知道就好，想起来真的很烧脑。

 1 // 得到虚拟地址vaddr对应的pte指针
 2 uint32_t* pte_ptr(uint32_t vaddr) {
 3     uint32_t* pte = (uint32_t*)(0xffc00000 + ((vaddr & 0xffc00000) >> 10) + PTE_IDX(vaddr) * 4);
 4     return pte;
 5 }
 6 
 7 // 得到虚拟地址vaddr对应的pde指针
 8 uint32_t* pde_ptr(uint32_t vaddr) {
 9     uint32_t* pde = (uint32_t*)((0xfffff000) + PDE_IDX(vaddr) * 4);
10     return pde;
11 }

四、运行

我们看到，我们成功调用函数，获取了 3 个内核的内存页，起始地址为 0xC0100000

写在最后：开源项目和课程规划

如果你对自制一个操作系统感兴趣，不妨跟随这个系列课程看下去，甚至加入我们（下方有公众号和小助手微信），一起来开发。

参考书籍

《操作系统真相还原》这本书真的赞！强烈推荐

项目开源

项目开源地址：https://gitee.com/sunym1993/flashos

当你看到该文章时，代码可能已经比文章中的又多写了一些部分了。你可以通过提交记录历史来查看历史的代码，我会慢慢梳理提交历史以及项目说明文档，争取给每一课都准备一个可执行的代码。当然文章中的代码也是全的，采用复制粘贴的方式也是完全可以的。

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课程规划

本课程打算出系列课程，我写到哪觉得可以写成一篇文章了就写出来分享给大家，最终会完成一个功能全面的操作系统，我觉得这是最好的学习操作系统的方式了。所以中间遇到的各种坎也会写进去，如果你能持续跟进，跟着我一块写，必然会有很好的收货。即使没有，交个朋友也是好的哈哈。

目前的系列包括

本文链接：https://www.cnblogs.com/flashsun/p/12350366.html