Linux内核：内存管理——分页机制

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分页机制在80x86内存管理中扮演关键角色，它在分段机制基础上完成虚拟地址到物理地址的转换。分段机制将逻辑地址转换成线性地址，而分页机制则将线性地址转换为物理地址。分页机制通过将线性地址空间划分为页面，然后将这些页面映射到物理地址空间中，实现地址转换。分页机制提供页面级保护，可与分段机制保护措施结合或替代分段机制保护功能。

启用分页机制可通过设置控制寄存器CR0的PG位。若PG=1，启用分页，处理器将使用分页机制转换线性地址到物理地址。若PG=0，则禁用分页，线性地址直接映射到物理地址。分页机制使用固定大小（4KB）的页面，线性地址空间和物理地址空间均被划分为页面，允许页面映射到物理内存或磁盘存储中。

线性到物理地址的转换涉及4KB大小页面的映射，线性地址的低12位作为页内偏移量，直接形成物理地址低12位。页面基地址对齐于4K边界，高20位的页面基地址与12位偏移量结合形成最终物理地址。

分页机制与分段机制存在区别，分页使用固定长度页面，而段的长度与存储的代码或数据结构相匹配。分页减少了地址转换所需总线周期数量，通过缓存最近访问的页目录和页表（TLB）减少内存访问。

页表描述分页转换功能，由物理地址数组组成，线性地址高20位作为索引值选择物理地址基地址，低12位作为偏移量。每个页表项大小32位，用于存放物理地址和属性信息，如页面存在与否。

为了减少内存占用，80x86使用两级页表结构，将20位线性地址转换分成两步，分别处理高10位和中间10位。第一级页目录表和第二级页表分别用于查找物理地址高20位和中间10位，线性地址低12位作为偏移量，最终生成完整物理地址。

不存在的页表允许页表分散存储，无需连续分配内存。目录表必须常驻内存，而二级页表仅在需要时分配。页目录表中的存在位指示二级页表状态，可节省物理内存，同时支持将二级页表存储在虚拟内存中。

页表项格式包含物理地址和属性信息，如存在位、访问位和修改位，支持虚拟存储技术。分页机制与这些属性结合，提供内存管理所需的支持，包括页面物理地址、访问状态和修改状态。

虚拟存储技术依赖分页机制提供的页面存在标志、访问标志和修改标志，通过检查这些标志，操作系统能确定页面访问频率，选择适当页面进行替换或缓存，优化内存使用。

分页机制实现高效内存管理，通过固定页面大小、两级页表结构和页表属性支持，满足现代操作系统对内存访问和虚拟存储的需求。