這個分頁，主要是在mit6.828的lab2的背景下來說的。

lab2主要講虛擬記憶體->實體記憶體的變換，通過一定的函式來實現軟體MMU的部分。

整個地址轉化的過程如下圖所示：

首先，明確一點，在程式裡面的所有地址，都是虛擬地址，程式裡面是不會出現實體地址的，就算是實體地址，CPU也會把它當做虛擬地址，通過MMU轉化為實體地址。

通過上面的圖，可以知道，在系統中，CPU得到一個虛擬地址，這個虛擬地址是logical address，通過分段翻譯後，會得到一個線性地址(linear address),線性地址通過分頁翻譯後，就可以得到實體地址了。

在lab2裡，分段機制基本就沒有，所以可以直接認為cpu得到的虛擬地址就是線性地址，只需要經過page translation 就可以得到實體地址了。下面，就來講一下系統分頁的詳細過程。

如下圖所示，就是線性地址通過page director  和 page table轉化成實體地址的過程：

這張圖是從虛擬地址來的，所以包含了分段的過程。其實，分段過程也比較簡單，以C程式舉例，在C中，所有的指標，它的值是一個偏移量，這個偏移量要加上段基址，得到一個線性地址。而前面的偏移量+段基址的過程，就是分段的過程。

在一個程式中，一般分為堆，棧，程式碼段，資料段(.date和.bss等)，而指標的值，就是相應的段上的偏移量，如一個指標指向的是一個全域性變數，則它的線性地址位P+.date的基址。這個過程就是分段。在lab2裡面，分段基址好像暫時沒怎麼涉及，所以暫且不管它。好像想在作業系統多是分頁，分段應該不多了。分段和分頁主要的區別就是分頁的頁框是固定大小的，不變的。而分段，每一段的大小都是不定的。分段有利於程式的編譯。這一塊還要在看看書，還是有點不瞭解。

分頁：

在lab2中，主要就是分頁的各種東西。在jos系統裡面，採用二級頁表的分頁形式。即分為page directory 和 page table兩級頁表。

二級頁表好處：在32位系統中，理論上來說，每個程序都擁有獨立的地址空間，其大小是2^32=4G,如果採用一級頁表，則以4K的頁框大小為例，要分配2^20個頁面來給程式使用，每個頁面佔4位元組，則光地址轉換的頁面就需要4*2^20=4M大小(page table的大小)了。這對於以前比較小的記憶體來說，是非常的大的。雖然現在記憶體都有幾個G，但是如果64位作業系統也用一級頁表分頁的話，記憶體塞滿了都放不下轉換頁……。

對於大多數的程式，我並不需要使用4G的記憶體空間，比如編寫一個非常簡單的排序程式，如果資料量不是很大的話，應該總共加起來連1M的記憶體都用不到，這樣，總共實際用到的頁面就只有2^8=256個頁面，佔的記憶體只有256*4=1024=1k，剩下的大部分存這的轉換部分的記憶體都是沒用的，這就表明了一級頁表的空間利用率其實是非常低的，存在著大量的浪費。

所以，要使用二級頁表來進行分頁。二級頁表實在一級頁表的基礎上進一步轉化而來。以32位系統為例，假設頁面大小位4K，一級頁表是把低位的12位作為頁內偏移，高位的20位作為頁索引。而二級頁表，把低位的12位作為頁內偏移，高位的10位作為page directory(PDE)的索引，中間的的10位作為page table(PTE)。所以，以上面那個排序程式為例，如果他只用到了部分的頁面，根據程式頁面的區域性性原理，這些頁面會集中在某幾個”塊“內，所以對於第一級的PDE來說，這些頁面都會集中在少數的幾個PDE中，只需要為那幾個對映到的PDE建立相應的二級頁表(即PTE)，而其他沒有被對映到的PDE都不用建立對應的二級頁表，這樣，相對於一級頁表的建立所有的頁面對映，二級頁表只建立相應的頁面對映，雖然也會有所浪費，當相對來說還是節省了大量的記憶體空間。

二級頁表分頁過程：

二級頁表分頁過程比較簡單，首先，PDE的入口地址儲存在CR3暫存器中，讀取CR3暫存器的高位(20位)，低12位根據線性地址的高10位得到(由於32位系統中，地址佔4位元組，所以每一個頁表佔4位元組，和陣列是同理：int a[10]; a[1]的地址是a[0]+4而不是+1,所以2^10個頁表需要12位地址)。

通過上述過程得到的PDE，取出存在PDE中的PTE的地址，將PTE的低12位清零，然後中間10位作為索引，得到相應的實體地址的基址，最後通過低12位相加，得到對應的實體地址。轉換過程不涉及很難的地方，比較簡單。

這裡說一下CR3，CR3儲存PDE的地址，所以在程序切換之後，只需要改變CR3中的值，就可以直接切換程序的地址空間，非常的方便。

而上面的PWT表示是否採用回寫策略，若PWT置位，則表示採用通寫策略，即寫快取資料的同時，必須寫外存。PWT=0表示回寫，即寫快取資料，不必改變外存，等到快取頁面被置換，在寫外存。

PCD表示是否開啟快取頁。PCD=1表示禁用快取頁。PCD=0，表示啟用快取頁。這個主要是因為有些頁面對應的I/O埠需要實時採集資料，不能快取資料，因為快取的資料和實時資料有差別，所以需要禁用快取頁。這個在嵌入式裡面應該出現的比較多。

最後一點，這些過程為了保證快速性，全部都是由硬體完成的，而在CR3暫存器，PDE，PGE中儲存的地址，都是實體地址，而不是相對應的虛擬地址。