内存布局

虚拟地址空间

完整布局图

0xFFFFFFFFFFFFFFFF ┌────────────────────┐
                   │                    │
                   │  内核空间          │  Ring 0
                   │  (256 TiB - 128 TiB)│
0xFFFFFFFF80000000 ├────────────────────┤ ← KERNEL_OFFSET
                   │                    │
                   │  未映射间隙        │
                   │  (128 TiB)         │
                   │                    │
0x0000800000000000 ├────────────────────┤
                   │                    │
                   │  用户空间          │  Ring 3
                   │  (128 TiB)         │
                   │                    │
0x0000000000000000 └────────────────────┘

内核空间详细布局

0xFFFFFFFFFFFFFFFF ┌────────────────────┐
                   │  保留              │
0xFFFFFFFFFFFFFF00 ├────────────────────┤
                   │  IST[0]            │  20 KiB（双重故障栈）
0xFFFFFFFFFFFFB000 ├────────────────────┤
                   │  内核栈 (RSP0)     │  32 KiB
0xFFFFFFFFFFFAB000 ├────────────────────┤
                   │  ...               │
0xFFFFFFFF80110000 ├────────────────────┤
                   │  .data / .bss      │  ~16 KiB
0xFFFFFFFF80100000 ├────────────────────┤ ← 内核 .text
                   │  .text / .rodata   │  ~64 KiB
0xFFFFFFFF80000000 ├────────────────────┤ ← KERNEL_OFFSET
                   │  ...               │
0x444444440000     ├────────────────────┤ ← 堆起始
                   │  内核堆            │  100 KiB
0x444444430000     ├────────────────────┤ ← 堆结束
                   │  ...               │
0x00000000B8000    ├────────────────────┤ ← VGA 缓冲区
                   │  VGA 文本缓冲区    │  4 KiB
0x00000000B7C00    └────────────────────┘

内核内存映射表

区域	虚拟地址	大小	权限	说明
VGA 文本缓冲区	0xB8000	4 KiB	RW	恒等映射
内核 .text	0xFFFFFFFF80100000	~64 KiB	RX	代码段
内核 .data/.bss	0xFFFFFFFF80110000	~16 KiB	RW	数据段
内核堆	0x4444_4444_0000	100 KiB	RW	堆分配器
内核栈 (RSP0)	TSS.rsp0	32 KiB	RW	内核栈
IST[0]	TSS.ist[0]	20 KiB	RW	双重故障栈

用户空间布局

0x00007FFFFFFFFFFF ┌────────────────────┐
                   │  用户栈顶          │
                   │  (向下增长)        │
0x00007FFF00000000 ├────────────────────┤
                   │                    │
                   │  用户代码/数据     │
                   │  (ELF 加载)        │
                   │                    │
0x0000000000400000 ├────────────────────┤ ← 用户程序基址
                   │  (保留/空)         │
0x0000000000000000 └────────────────────┘

用户空间映射表

区域	虚拟地址	大小	权限	说明
用户代码	0x400000	可变	R-X	ELF .text
用户数据	0x400000 + offset	可变	RW-	ELF .data/.bss
用户栈	0x7FFF00000000	16 KiB	RW-	向下增长

页表标志

标志位定义

标志	位	说明
Present	0	页面是否在内存中
Writable	1	是否可写
User	2	用户态是否可访问
Write-Through	3	写透模式
Cache Disabled	4	禁用缓存
Accessed	5	是否被访问过
Dirty	6	是否被写入过
Page Size	7	大页面（2 MiB / 1 GiB）
NX	63	禁止执行

映射类型

映射	Present	Writable	User	NX
内核代码	✓	✗	✗	✗
内核数据	✓	✓	✗	✓
用户代码	✓	✗	✓	✗
用户数据	✓	✓	✓	✓

物理内存布局

BIOS 内存映射

0x00000000 - 0x000003FF  中断向量表 (IVT)
0x00000400 - 0x000004FF  BIOS 数据区
0x00000500 - 0x00007BFF  自由内存
0x00007C00 - 0x00007DFF  引导扇区
0x00007E00 - 0x0007FFFF  自由内存
0x00080000 - 0x0009FFFF  EBDA（扩展 BIOS 数据区）
0x000A0000 - 0x000BFFFF  VGA 显示内存
0x000C0000 - 0x000FFFFF  ROM 区域
0x00100000 - 0x00FFFFFF  自由内存（1 MiB - 16 MiB）
0x01000000 - ...         自由内存（>16 MiB）

内核物理加载地址

0x00100000 (1 MiB)  ← 内核物理加载地址
    ↓
  页表映射
    ↓
0xFFFFFFFF80100000  ← 内核虚拟地址

链接脚本

kernel/src/arch/x86_64/linker.ld

KERNEL_OFFSET = 0xFFFFFFFF80000000
PHYSICAL_OFFSET = 0x100000

ENTRY(_start)

SECTIONS {
    . = KERNEL_OFFSET + PHYSICAL_OFFSET;

    .text : AT(ADDR(.text) - KERNEL_OFFSET) {
        *(.text .text.*)
    }

    .rodata : AT(ADDR(.rodata) - KERNEL_OFFSET) {
        *(.rodata .rodata.*)
    }

    .data : AT(ADDR(.data) - KERNEL_OFFSET) {
        *(.data .data.*)
    }

    .bss : AT(ADDR(.bss) - KERNEL_OFFSET) {
        *(.bss .bss.*)
    }
}

内存保护

页面级保护

• 内核代码 - 只读、可执行（RX）
• 内核数据 - 可读写、不可执行（RW）
• 用户代码 - 用户可访问、只读、可执行（R-X）
• 用户数据 - 用户可访问、可读写、不可执行（RW-）

硬件保护机制

1. 页表权限位 - 硬件强制执行
2. SMEP - 防止内核执行用户页面
3. SMAP - 防止内核访问用户页面
4. NX 位 - 防止执行数据页面

缓存策略

区域	策略	说明
内核代码	Write-Back	最佳性能
内核数据	Write-Back	最佳性能
VGA 缓冲区	Uncached	内存映射 I/O
设备 MMIO	Uncached	硬件寄存器

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