Марк Руссинович - 2.Внутреннее устройство Windows (гл. 5-7)

Детальные структуры адресных пространств IA64 и x64 различаются незначительно. Структуру адресного пространства для IA64 см. на рис. 7-13, а для x64 — на рис. 7-14.

Теперь, когда вы познакомились со структурами виртуального адресного пространства в Windows, рассмотрим, как она увязывает эти адресные пространства со страницами физической памяти (приложения и системный код используют виртуальные адреса). Мы начнем с детального описания трансляции 32-разрядных адресов на платформе x86, потом кратко поясним ее отличия на 64-разрядных платформах IA64 и x64. B следующем разделе вы узнаете, что происходит, когда виртуальный адрес не удается разрешить в физический (из-за выгрузки в страничный файл), и как Windows управляет физической памятью через рабочие наборы и базу данных номеров фреймов страниц.

C помощью структур данных (таблиц страниц), создаваемых и поддерживаемых диспетчером памяти, процессор транслирует виртуальные адреса в физические. Каждый виртуальный адрес сопоставлен со структурой системного пространства, которая называется элементом таблицы страниц (page table entry, PTE) и содержит физический адрес, соответствующий виртуальному. Например, на рис. 7-15 показаны три последовательно расположенные виртуальные страницы, проецируемые на три разрозненные физические страницы (платформа x86).

Пунктирные линии на рис. 7-15 соединяют виртуальные страницы с РТЕ, представляя косвенные связи между виртуальными и физическими страницами.

ПРИМЕЧАНИЕ Код режима ядра (например, драйверов устройств) может ссылаться на физические адреса, транслируя их в виртуальные. Подробнее об этом см. описание функций поддержки списка дескрипторов памяти (memory descriptor list, MDL) в DDK.

По умолчанию в х86-системе Windows для трансляции виртуальных адресов в физические использует двухуровневую таблицу страниц (х86-систе-мы, работающие с РАЕ-версией ядра, используют трехуровневую таблицу страниц, но они в этом разделе не рассматриваются). 32-разрядный виртуальный адрес интерпретируется как совокупность трех элементов: индекса каталога страниц, индекса таблицы страниц и индекса байта. Они применяются в качестве указателей в структурах, описывающих проекции страниц (рис. 7-l6). Размеры страницы и PTE определяет размеры каталога страниц и полей индекса таблицы страниц. Так, в х86-системах длина индекса байта составляет 12 битов, поскольку размер страницы равен 4096 байтов (т. е. 212).

Индекс каталога страниц (page directory index) применяется для поиска таблицы страниц, содержащей PTE для данного виртуального адреса. C помощью индекса таблицы страниц (page table index) осуществляется поиск РТЕ, который, как уже говорилось, содержит физический адрес, по которому проецируется виртуальная страница. Индекс байта (byte index) позволяет найти конкретный адрес на физической странице. Взаимосвязи этих трех величин и их использование для трансляции виртуальных адресов в физические показаны на рис. 7-17.

При трансляции виртуального адреса выполняются следующие операции.

1. Аппаратные средства управления памятью находят каталог страниц текущего процесса. При каждом переключении контекста процесса эти средства получают адрес каталога страниц нового процесса. Обычно операционная система записывает этот адрес в специальный регистр процессора.

2. Индекс каталога страниц используется как указатель для поиска элемента каталога страниц (page directory entry, PDE), который определяет местонахождение таблицы страниц, нужной для трансляции виртуального адреса. PDE содержит номер фрейма страницы (page frame number, PFN) таблицы страниц (если она находится в памяти; однако такие таблицы могут выгружаться в страничный файл).

3. Индекс таблицы страниц используется как указатель для поиска PTE5 который определяет местонахождение требуемой виртуальной страницы.

4. Ha основе PTE отыскивается страница. Если она действительна, то содержит PFN соответствующей страницы физической памяти. Если PTE сообщает, что страница недействительна, обработчик ошибок подсистемы управления памятью пытается найти страницу и сделать ее действительной (см. раздел по обработке ошибок страниц далее в этой главе). Если сделать страницу действительной не удалось (например, из-за ошибки защиты), обработчик ошибок генерирует нарушение доступа или вызывает переход в состояние отладки.

5. Если PTE указывает на действительную страницу, для поиска адреса нужных данных на физической странице используется индекс байта. Ознакомившись с общей картиной, перейдем к детальному рассмотрению структуры каталогов страниц, таблиц страниц и РТЕ.

У каждого процесса есть один каталог страниц (page directory), который представляет собой страницу с адресами всех таблиц страниц для данного процесса. Физический адрес каталога страниц процесса хранится в блоке KPROCESS и проецируется по адресу 0xC0300000 в х86-системах или 0xC0600000 в системах с РАЕ-ядром. Весь код, выполняемый в режиме ядра, использует не физические, а виртуальные адреса (о KPROCESS см. главу 6).

Процессору известно местонахождение страницы каталога страниц, поскольку в специальный регистр процессора (CR3 в х86-системах) загружен ее физический адрес. При каждом переключении контекста на поток другого процесса процедура ядра, отвечающая за переключение контекста, загружает в этот регистр значение из блока KPROCESS нового процесса. Переключение контекста между потоками одного процесса не влечет перезагрузку физического адреса каталога страниц, поскольку все потоки одного процесса используют одно и то же адресное пространство.

Каталог страниц состоит из элементов (PDE), каждый из которых имеет длину 4 байта (в системах с РАЕ-ядром — 8 байтов) и описывает состояние и адреса всех возможных таблиц страниц для данного процесса. (Как будет сказано далее, таблицы страниц создаются по мере необходимости, так что каталоги страниц большинства процессов ссылаются лишь на небольшой набор таких таблиц.) Мы не будем отдельно рассматривать формат PDE, поскольку он в основном совпадает с форматом аппаратного РТЕ.

B х86-системах без PAE для полного описания 4-гигабайтного виртуального адресного пространства требуется 1024 таблицы страниц. Каталог страниц процесса, связывающий эти таблицы, содержит 1024 PDE. Соответственно размер индекса каталога равен 10 битам (210 = 1024). B х86-систе-мах, работающих в режиме РАЕ, в таблице страниц 512 элементов (размер индекса каталога страниц равен 9 битам). Из-за наличия 4 каталогов страниц максимальное число таблиц страниц составляет 2048.

ЭКСПЕРИМЕНТ: исследуем каталог страниц и PDE

Физический адрес каталога страниц текущего процесса можно увидеть, изучив поле DirBase в выходной информации команды !process отладчика ядра.

Виртуальный адрес каталога страниц можно выяснить из информации, выводимой отладчиком ядра для PTE конкретного виртуального адреса, как показано ниже.

Часть выходной информации отладчика ядра, касающаяся РТЕ, рассматривается в разделе «Страницы таблиц и РТЕ» далее в этой главе.

Поскольку Windows предоставляет каждому процессу закрытое адресное пространство, у каждого процесса свой набор таблиц страниц для проецирования этого пространства. B то же время таблицы страниц, описывающие системное пространство, разделяются всеми процессами (а пространство сеанса разделяется процессами в сеансе). Чтобы не допустить появления нескольких таблиц страниц, описывающих одну и ту же виртуальную память, при создании процесса PDE, описывающие системное пространство, инициализируются так, чтобы они указывали на существующие системные таблицы страниц. Если процесс является частью сеанса, таблицы страниц, описывающие пространство сеанса, тоже используются совместно. Для этого PDE пространства сеанса инициализируются так, чтобы они указывали на существующие сеансовые таблицы страниц.

Однако, как показано на рис. 7-18, не все процессы имеют одинаковое представление системного пространства. Так, если при расширении пула подкачиваемой памяти требуется создать новую системную таблицу страниц, диспетчер памяти — вместо того чтобы сразу записывать указатели на новую системную таблицу во все каталоги страниц процессов — обновляет эти каталоги только по мере обращения процессов по новому виртуальному адресу.

Таким образом, при обращении к пулу подкачиваемой памяти может возникнуть ошибка страницы из-за того, что каталог страниц процесса еще не содержит указатель на новую системную таблицу страниц, описывающую новую область пула. Ho при доступе к пулу неподкачиваемой памяти таких ошибок не возникает, хотя он тоже может расширяться. Дело в том, что при инициализации системы Windows создает все системные таблицы страниц, которые описывают максимально возможный объем пула неподкачиваемой памяти.