系统执行中地址映射的四个阶段

原理课上讲到了页映射，段映射，以及段页式映射关系，但对如何建立段页式映射关系没有详说。其实，在lab1和lab2中都会涉及如何建立映射关系的操作。在lab1中，我们已经碰到到了简单的段映射，即对等映射关系，保证了物理地址和虚拟地址相等，也就是通过建立全局段描述符表，让每个段的基址为0，从而确定了对等映射关系。在lab2中，由于在段地址映射的基础上进一步引入了页地址映射，形成了组合式的段页式地址映射。这种方式虽然更加灵活了，但实现稍微复杂了一些。在lab2中，为了建立正确的地址映射关系，ld在链接阶段生成了ucore OS执行代码的虚拟地址，而bootloader与ucore OS协同工作，通过在运行时对地址映射的一系列“腾挪转移”，从计算机加电，启动段式管理机制，启动段页式管理机制，在段页式管理机制下运行这整个过程中，虚地址到物理地址的映射产生了多次变化，实现了最终的段页式映射关系：

  1.  virt addr = linear addr = phy addr + 0xC0000000

下面，我们来看看这是如何一步一步实现的。观察一下链接脚本，即tools/kernel.ld文件在lab1和lab2中的区别。在lab1中：

  1. ENTRY(kern_init)
  3. SECTIONS {
  4.             /* Load the kernel at this address: "." means the current address */
  5.             . = 0x100000;
  7.             .text : {
  8.                        *(.text .stub .text.* .gnu.linkonce.t.*)
  9.             }

这意味着在lab1中通过ld工具形成的ucore的起始虚拟地址从0x100000开始，注意：这个地址是虚拟地址。但由于lab1中建立的段地址映射关系为对等关系，所以ucore的物理地址也是0x100000，而ucore的入口函数kern_init的起始地址。所以在lab1中虚拟地址，线性地址以及物理地址之间的映射关系如下：

  1.  lab1： virt addr = linear addr = phy addr

在lab2中：

  1. ENTRY(kern_entry)
  3. SECTIONS {
  4.             /* Load the kernel at this address: "." means the current address */
  5.             . = 0xC0100000;
  7.             .text : {
  8.                         *(.text .stub .text.* .gnu.linkonce.t.*)
  9.             }

这意味着lab2中通过ld工具形成的ucore的起始虚拟地址从0xC0100000开始，注意：这个地址也是虚拟地址。入口函数为kern_entry函数（在kern/init/entry.S中）。这与lab1有很大差别。但其实在lab1和lab2中，bootloader把ucore都放在了起始物理地址为0x100000的物理内存空间。这实际上说明了ucore在lab1和lab2中采用的地址映射不同。lab2在不同阶段有不同的虚拟地址，线性地址以及物理地址之间的映射关系。

第一个阶段是bootloader阶段，即从bootloader的start函数（在boot/bootasm.S中）到执行ucore kernel的kern_\entry函数之前，其虚拟地址，线性地址以及物理地址之间的映射关系与lab1的一样，即：

  1.  lab2 stage 1： virt addr = linear addr = phy addr

第二个阶段从从kern_\entry函数开始，到执行enable_page函数（在kern/mm/pmm.c中）之前再次更新了段映射，还没有启动页映射机制。由于gcc编译出的虚拟起始地址从0xC0100000开始，ucore被bootloader放置在从物理地址0x100000处开始的物理内存中。所以当kern_entry函数完成新的段映射关系后，且ucore在没有建立好页映射机制前，CPU按照ucore中的虚拟地址执行，能够被分段机制映射到正确的物理地址上，确保ucore运行正确。这时的虚拟地址，线性地址以及物理地址之间的映射关系为： 

  1.  lab2 stage 2： virt addr - 0xC0000000 = linear addr = phy addr

注意此时CPU在寻址时还是只采用了分段机制。最后后并使能分页映射机制（请查看lab2/kern/mm/pmm.c中的enable_paging函数），一旦执行完enable_paging函数中的加载cr0指令（即让CPU使能分页机制），则接下来的访问是基于段页式的映射关系了。

第三个阶段从enable_page函数开始，到执行gdt_init函数（在kern/mm/pmm.c中）之前，启动了页映射机制，但没有第三次更新段映射。这时的虚拟地址，线性地址以及物理地址之间的映射关系比较微妙： 

  1.  lab2 stage 3:  virt addr - 0xC0000000 = linear addr  = phy addr + 0xC0000000 # 线性地址在0~4MB之外的三者映射关系
  2.                 virt addr - 0xC0000000 = linear addr  = phy addr # 线性地址在0~4MB之内的三者映射关系

请注意pmm_init函数中的一条语句：

  1.  boot_pgdir[0] = boot_pgdir[PDX(KERNBASE)];

就是用来建立物理地址在0~4MB之内的三个地址间的临时映射关系virt addr - 0xC0000000 = linear addr = phy addr。

第四个阶段从gdt_init函数开始，第三次更新了段映射，形成了新的段页式映射机制，并且取消了临时映射关系，即执行语句“boot_pgdir[0] =
0;”把boot_pgdir[0]的第一个页目录表项（0~4MB）清零来取消临时的页映射关系。这时形成了我们期望的虚拟地址，线性地址以及物理地址之间的映射关系： 

  1.  lab2 stage 4： virt addr = linear addr = phy addr + 0xC0000000