内存管理-启动篇：从实模式到分页开启的内存布局

"内核代码链接在 1MB 以上，但启动时 CPU 还在实模式——
今天，我们揭秘启动阶段的内存布局，看内核如何安全开启分页！"

在操作系统的启动过程中，内存管理是最先面临的挑战。
CPU 上电后处于 实模式（Real Mode），只能访问 1MB 以下内存，
但内核代码却链接在 1MB 以上（如 0x100000）。

更复杂的是：分页（Paging）开启前，所有地址都是物理地址；
开启后，地址变为虚拟地址，硬件自动翻译。

今天，我们就来：
✅ 解析启动阶段的内存布局
✅ 理解临时页表（Identity Mapping）的作用
✅ 掌握安全开启分页的完整流程
✅ 获取物理内存大小信息

让你彻底搞懂：内核如何从实模式安全过渡到保护模式 + 分页！

🗺️ 一、启动阶段内存布局全景图

内存区域划分（0x00000000 - 0xFFFFFFFF）：

0xFFFFFFFF +------------------+
           |   内核高半映射   | ← 分页开启后
           +------------------+
0xC0000000 +------------------+
           |      空洞        |
           +------------------+
0x00100000 +------------------+ ← 内核加载地址（1MB）
           |   内核代码/数据  |
           +------------------+
0x0009FC00 +------------------+ ← MP Floating Pointer（多核）
           |   BIOS 数据区    |
           +------------------+
0x00008000 +------------------+ ← GRUB Multiboot 信息
           |   内核 Multiboot 头 |
           +------------------+
0x00007C00 +------------------+ ← 引导扇区（若自写 bootloader）
           |   BIOS 中断向量表 |
           +------------------+
0x00000000 +------------------+

关键区域说明：

| 地址 | 用途 | 所有者 | |——|——|——–| | 0x00000000 - 0x00000400 | 中断向量表 | BIOS | | 0x00007C00 - 0x00007DFF | 引导扇区（512B）| Bootloader | | 0x00008000+ | GRUB 传递的 Multiboot 信息 | GRUB | | 0x0009FC00+ | MP 表（多核 CPU 信息）| BIOS | | 0x00100000+ | 内核代码/数据 | 你的内核 | | 1MB 以下 | BIOS 保留区 | BIOS |

💡 内核绝不能使用 1MB 以下内存！否则会覆盖 BIOS 数据，导致崩溃。

🚪 二、为什么内核要链接在 1MB 以上？

历史原因：

  • 实模式限制：20 位地址线 → 最大 1MB（0x00000 - 0xFFFFF）
  • 保护模式需求：32 位 CPU 需要更大地址空间
  • GRUB 约定：Multiboot 规范要求内核加载到 1MB 以上

技术优势：

  • 避免与 BIOS 冲突：1MB 以下是 BIOS 的"领地"
  • 简化内存管理：1MB 以上可视为"干净"的物理内存
  • 对齐分页：1MB = 256 个 4KB 页，便于页表对齐

✅ 0x100000（1MB）是 x86 内核的"安全起点"！

🔗 三、链接脚本：控制内核内存布局

内核的内存布局由 链接脚本（linker.ld） 决定：

ENTRY(_start)

SECTIONS {
    /* 从 1MB 开始 */
    . = 0x100000;

    .text : {
        *(.multiboot)   /* Multiboot 头（必须在前 8KB）*/
        *(.text)        /* 代码段 */
    }

    .rodata : {         /* 只读数据 */
        *(.rodata)
    }

    .data : {           /* 已初始化数据 */
        *(.data)
    }

    .bss : {            /* 未初始化数据（清零）*/
        *(.bss)
        *(COMMON)
    }
}

关键点：

  • . = 0x100000：设置加载地址（VMA）为 1MB
  • .multiboot 段：必须位于内核前 8KB，GRUB 会扫描它
  • .bss 段：不占 ELF 文件空间，但链接器分配内存并清零

⚠️ 若链接地址错误（如 0x0），内核会覆盖中断向量表，立即崩溃！

🧱 四、临时页表：Identity Mapping

分页开启前，CPU 访问的是物理地址；
开启后，访问的是虚拟地址，需通过页表翻译。

但内核代码已链接在高地址（如 0xC0000000），
如何在开启分页瞬间不崩溃？

答案：临时页表（Identity Mapping）！

什么是 Identity Mapping？

  • 虚拟地址 = 物理地址
    例如：虚拟 0x100000 → 物理 0x100000
  • 仅用于启动阶段，后续会被高半内核映射替换

临时页表结构：

// 页目录（1 个，4KB）
uint32_t page_directory[1024] __attribute__((aligned(4096)));

// 页表（1 个，映射前 4MB）
uint32_t first_page_table[1024] __attribute__((aligned(4096)));

初始化页表：

; 汇编中初始化（因 C 未就绪）
setup_paging:
    ; 1. 清零页目录/页表
    mov edi, page_directory
    mov ecx, 1024
    mov eax, 0
    rep stosd

    mov edi, first_page_table
    mov ecx, 1024
    rep stosd

    ; 2. 填充页表：映射 0x00000000 - 0x003FFFFF
    mov ebx, 0
    mov edi, first_page_table
    mov ecx, 1024
.fill_pt:
    mov eax, ebx
    or eax, 0x3  ; PRESENT + RW
    mov [edi], eax
    add ebx, 4096
    add edi, 4
    loop .fill_pt

    ; 3. 页目录指向页表
    mov eax, first_page_table
    or eax, 0x3
    mov [page_directory], eax  ; PDE[0] = 页表地址

    ret

🔑 页表项标志 0x3 = PRESENT(1) + RW(1«1)

⚙️ 五、安全开启分页的完整流程

步骤 1：关闭中断

cli    ; 禁用可屏蔽中断

步骤 2：加载临时页表

call setup_paging

; 加载 CR3（页目录基地址）
mov eax, page_directory
mov cr3, eax

步骤 3：开启分页

; 设置 CR0.PG = 1
mov eax, cr0
or eax, 0x80000000  ; bit 31 = PG
mov cr0, eax

步骤 4：刷新流水线（关键！）

; 远跳转刷新 CS，确保 CPU 使用新地址翻译
jmp 0x08:protected_mode_32bit

[bits 32]
protected_mode_32bit:
    ; 现在已在分页模式！
    ; 可安全访问高地址（如 0xC0000000）

✅ 此流程确保：开启分页后，CPU 能正确翻译当前指令地址！

📊 六、获取物理内存大小

GRUB 通过 Multiboot 信息结构 传递内存信息：

struct multiboot_info {
    uint32_t flags;
    uint32_t mem_lower;  // 低 1MB 可用内存（KB）
    uint32_t mem_upper;  // 高 1MB 可用内存（KB）
    // ... 其他字段
};

void init_memory_info(uint32_t mb_info) {
    struct multiboot_info *mbi = (void*)mb_info;
    if (mbi->flags & 0x01) {
        total_memory_kb = mbi->mem_lower + mbi->mem_upper;
        printk("Total memory: %u KB\n", total_memory_kb);
    }
}

💡 mem_upper 是 Buddy 分配器初始化的关键输入！

⚠️ 七、常见陷阱与避坑指南

  1. 页表未对齐
    • 页目录/页表必须 4KB 对齐
    • 使用 __attribute__((aligned(4096)))
  2. 开启分页后立即访问高地址
    • 临时页表仅映射低 4MB，访问 0xC0000000 会 Page Fault
    • 解决方案：先完成 Buddy 初始化，再建立高半内核映射
  3. 未刷新 TLB
    • 修改页表后需 invlpg 或重新加载 CR3
    • 启动阶段可忽略（TLB 为空）
  4. Multiboot 信息地址未验证
    • 检查 magic == 0x2BADB002 再使用 mb_info

💬 写在最后

启动阶段的内存管理，
是操作系统安全的第一道防线。
临时页表虽简单，
却是后续所有内存操作的基石。

今天你构建的 Identity Mapping，
正是 Linux head_32.S 中 initial_page_table 的简化版。

🌟 好的开始，是成功的一半——尤其在内存管理中。

📬 动手挑战：
修改链接脚本，将内核链接到 0x200000（2MB），并调整临时页表映射范围。
欢迎在评论区分享你的启动日志！

👇 下一篇你想看：Buddy 分配器深度解析，还是 Slab 分配器实现？

#操作系统 #内核开发 #内存管理 #分页 #启动 #x86 #从零开始

📢 彩蛋：关注后回复关键词 "memory-boot"，获取：

  • 完整临时页表初始化代码（汇编 + C）
  • 内存布局图（PNG）
  • Multiboot 信息解析模板