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

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.

Элементы каталога страниц (page directory entries, PDE), принадлежащего процессу, указывают на индивидуальные таблицы страниц, которые состоят из массива РТЕ. Поле индекса таблицы страницы в виртуальном адресе (как показано на рис. 7-17) определяет PTE нужной страницы данных. B x86-системах размер этого индекса равен 10 битам (в PAE — 9), что позволяет ссылаться на 1024 4-байтных PTE (в PAE — на 512 8-байтных PTE). Ho, поскольку 32-разрядная Windows предоставляет процессам 4-гигабайтное закрытое адресное пространство, для проецирования всего адресного пространства одной таблицы страниц мало. Чтобы подсчитать количество таблиц страниц, нужных для проецирования всех 4 Гб виртуального адресного пространства, поделите 4 Гб на объем виртуальной памяти, описываемой одной таблицей. Помните, что каждая таблица страниц в х86-системах определяет страницы данных суммарным размером в 4 Мб (в PAE — 2 Мб). Поэтому для проецирования всех 4 Гб адресного пространства требуется 1024 (4 Гб / 4 Мб) таблицы страниц, а в РАЕ-системах — 2048 (4 Гб / 2 Мб).

Для изучения PTE используйте команду !pte отладчика ядра (см. эксперимент «Трансляция адресов» далее в этой главе). Действительные PTE (здесь мы обсуждаем именно их — о недействительных PTE см. далее) состоят из двух основных полей (рис. 7-19): поля PFN физической страницы с данными (или физического адреса страницы в памяти) и поля флагов, описывающих состояние и атрибуты защиты страницы.

Как вы еще увидите, битовые флаги, помеченные как зарезервированные рис. 7-19), используются, только если PTE недействителен (флаги интерпретируются программно). Аппаратно определяемые битовые флаги действительного PTE перечислены в таблице 7-11.

B х86-системах аппаратный PTE содержит биты Dirty и Accessed. Бит Accessed равен 0, если данные физической страницы, представляемой РТЕ, не были считаны или записаны. Процессор устанавливает этот бит при первой операции чтения или записи страницы. Бит Dirty устанавливается только после первой записи на страницу. Кроме того, бит Write обеспечивает защиту страницы: если он сброшен, страница доступна только для чтения, а если он установлен, страница доступна как для чтения, так и для записи. Когда поток пытается что-то записать на страницу со сброшенным битом Write, возникает исключение управления памятью, и обработчик, принадлежащий диспетчеру памяти, решает, может ли поток записывать данные на эту страницу (если она, например, помечена как копируемая при записи) или следует сгенерировать нарушение доступа.

Для аппаратных PTE в многопроцессорных х86-системах предусматривается дополнительный бит Write, реализуемый программно и предотвращающий остановку системы при сбросе кэша PTE (также называемого ассоциативным буфером трансляции). Этот бит указывает, что страница была модифицирована другим процессором.

Как только диспетчер памяти находит искомую страницу, он переходит к поиску нужных данных на этой странице. Ha этом этапе используется поле индекса байта. Оно сообщает процессору, к какому байту данных на этой странице вы хотите обратиться. B х86-системах этот индекс состоит из 12 битов, что позволяет адресоваться максимум к 4096 байтам данных. Таким образом, добавление смещения байта к PFN, извлеченному из РТЕ, завершает трансляцию виртуального адреса в физический.

ЭКСПЕРИМЕНТ: трансляция адресов

Чтобы получше разобраться в том, как транслируются адреса, рассмотрим реальный пример трансляции виртуального адреса в х86-систе-ме без поддержки PAE и с помощью отладчика ядра исследуем каталоги страниц, таблицы страниц и PTE. B этом примере мы используем процесс с виртуальным адресом 0x50001, спроецированным на действительный физический адрес. Как наблюдать за трансляцией недействительных адресов, мы поясним в последующих примерах.

Сначала преобразуем 0x50001 в двоичное значение и разобьем его на три поля, используемых при трансляции адреса. B двоичной системе счисления 0x50001 соответствует значению 101.0000.0000.0000.0001, а его поля выглядят так:

Чтобы начать трансляцию, процессор должен знать физический адрес каталога страниц, который хранится в регистре CR3, пока выполняется поток соответствующего процесса. Этот адрес можно получить как из регистра CR3, так и из дампа блока KPROCESS интересующего вас процесса с помощью команды !process отладчика ядра.

B данном случае физический адрес каталога страниц — 0xl2F0000. Как видно на иллюстрации, поле индекса каталога страниц в этом примере равно 0. Поэтому физический адрес PDE — 0x12F0000.

Команда !pte отладчика ядра выводит PDE и РТЕ, описывающие виртуальный адрес:

B первой колонке отладчик ядра сообщает PDE5 а во второй — РТЕ. Заметьте, что показывается виртуальный адрес PDE, а не физический. Как уже говорилось, каталог страниц процесса в х86-системах начинается с виртуального адреса 0xC0300000. Поскольку мы изучаем первый PDE каталога страниц, его адрес совпадает с адресом самого каталога.

Виртуальный адрес PTE равен 0xC0000140. Его можно вычислить, умножив индекс таблицы страниц (в данном случае — 0x50) на размер PTE (4), что дает 0x140. Поскольку диспетчер памяти проецирует таблицы страниц с адреса 0xC0000000, после добавления 140 получится виртуальный адрес, показанный на листинге: 0xC0000140. PFN страницы в каталоге страниц равен 0x700, a PFN страницы данных — 0xe63.

Флаги PTE показываются справа от PFN. Так, РТЕ, описывающий упомянутую выше страницу, имеет флаги D — UWV, где D обозначает dirty (данные страницы изменены), U — user-mode page (страница пользовательского режима), a V- valid (действительная страница).

Как вы уже знаете, трансляция каждого адреса требует двух операций поиска: сначала нужно найти подходящую таблицу страниц в каталоге страниц, затем — элемент в этой таблице. Поскольку выполнение этих двух операций при каждом обращении по виртуальному адресу могло бы снизить быстродействие системы до неприемлемого уровня, большинство процессоров кэшируют транслируемые адреса, в результате чего необходимость в повторной трансляции при обращении к тем же адресам отпадает. Процессор поддерживает такой кэш в виде массива ассоциативной памяти, называемого ассоциативным буфером трансляции (translation look-aside buffer, TLB). Ассоциативная память вроде TLB представляет собой вектор, ячейки которого можно считывать и сразу сравнивать с целевым значением. B случае TLB вектор содержит сопоставления физических и виртуальных адресов для недавно использовавшихся страниц, а также атрибуты защиты каждой страницы, как показано на рис. 7-20. Каждый элемент TLB похож на элемент кэша, в метке которого хранятся компоненты виртуального адреса, а в поле данных — номер физической страницы, атрибуты защиты, битовый флаг Valid и, как правило, битовый флаг Dirty. Эти флаги отражают состояние страницы, которой соответствует кэшированный РТЕ. Если в PTE установлен битовый флаг Global (используется для страниц системного пространства, глобально видимых всем процессам), то при переключениях контекста элемент TLB не объявляется недействительным.

Часто используемым виртуальным адресам обычно соответствуют элементы в TLB, который обеспечивает чрезвычайно быструю трансляцию виртуальных адресов в физические, а в результате и быстрый доступ к памяти. Если виртуального адреса в TLB нет, он все еще может быть в памяти, но для его поиска понадобится несколько обращений к памяти, что увеличит время доступа. Если виртуальный адрес оказался в страничном файле или если диспетчер памяти изменил его РТЕ, диспетчер памяти должен явно объявить соответствующий элемент TLB недействительным. Если процесс повторно обращается к нему, генерируется ошибка страницы, нужная страница загружается обратно в память и для нее вновь создается элемент TLB.

Диспетчер памяти по возможности обрабатывает аппаратные и программные PTE одинаково. Так, при объявлении недействительного PTE действительным диспетчер памяти вызывает функцию ядра, которая обеспечивает аппаратно-независимую загрузку в TLB нового PTE. B х86-системах эта функция заменяется командой NOP, поскольку процессоры типа x86 самостоятельно загружают данные в TLB.

Режим проецирования памяти Physical Address Extension (PAE) впервые появился в х86-процессорах Intel Pentium Pro. При наличии соответствующей поддержки со стороны чипсета в режиме PAE можно адресоваться максимум к 64 Гб физической памяти на текущих х86-процессорах Intel и к 1024 Гб на х64-процессорах (хотя в настоящее время Windows ограничивает этот показатель 128 Гб из-за размера базы данных PFN, которая понадобилась бы для проецирования такого большого объема памяти). При работе процессора в режиме PAE блок управления памятью (memory management unit, MMU) разделяет виртуальные адреса на 4 поля (рис. 7-21).