今天的目標是啟動 x86 的 分頁機制 (Paging)。這不僅是為了更靈活地管理記憶體，更是為了未來實現多工隔離與虛擬位址空間。我們成功創建了第一個 4MB 的映射空間，將虛擬地址映射至實體地址 0x0000 到 0x3FFFFF 區間。
在 32 位元保護模式下，分頁機制將 4GB 的位址空間切分為多個 4KB 的頁面。
我們在 mem.c 中配置了第一個 Page Directory 和相關的 Page Table，實現了內存映射（Identity Mapping）。
#ifndef MEM_H
#define MEM_H
#include "types.h"
#include "isr.h"
#define ENTRIES_COUNT 1024
#define PAGE_SIZE 4096
typedef struct {
u32 present :1; //存在位元
u32 rw :1; //讀寫位元
u32 user :1; //用戶位元
u32 accessed :1; //是否被存取過
u32 dirty :1; //是否被寫入過（僅PT）
u32 reserved :7; //保留位元（未被使用）
u32 frame_addr :20;//物理地址高20位，不需要低12位，因為4KB對齊的關係
} page_entry_t;
extern u32 page_directory[ENTRIES_COUNT];
extern u32 first_page_table[ENTRIES_COUNT];
void init_paging();
void enable_paging();
void page_fault_handler(registers_t *regs);
#endif
#include "mem.h"
#include "display.h"
#include "isr.h"
u32 page_directory[ENTRIES_COUNT] __attribute__((aligned(4096))) = {0x1};
u32 first_page_table[ENTRIES_COUNT] __attribute__((aligned(4096))) = {0x1};
void init_paging()
{
// 初始化頁目錄，將所有入口設置成不存在（屬性0x02)
for (int i = 0; i < ENTRIES_COUNT; i++)
{
page_directory[i] = 0x00000002;
}
// 填充第一個頁表，mapping 整個0x00000--0x3ffff (4M空間)
// 為什麼是4MB，因為每個頁表目錄對應4KB內存，一共1024項
// 地址的開始就是ith * 4kb, 屬性3 (rw and present)
for (int i = 0; i < ENTRIES_COUNT; i++)
{
first_page_table[i] = (i * PAGE_SIZE) | 0x3;
}
// 將第一個頁表放入頁目錄第一項，同時重新設置屬性為0x03
page_directory[0] = ((u32)first_page_table) | 0x3;
// register_interrupt_handler(14, page_fault_handler);
}
void enable_paging() {
// 將頁目錄的位址載入到 CR3 暫存器
__asm__ __volatile__("mov %0, %%cr3" : : "r"(page_directory));
// 讀取 CR0，將最高位 (PG bit, 第 31 位) 設為 1
u32 cr0;
__asm__ __volatile__("mov %%cr0, %0" : "=r"(cr0));
cr0 |= 0x80000000;
__asm__ __volatile__("mov %0, %%cr0" : : "r"(cr0));
}
void page_fault_handler(registers_t *) {
u32 faulting_address;
__asm__ __volatile__("mov %%cr2, %0" : "=r"(faulting_address));
kprint("PAGE FAULT! at virtual address: ");
kprintf("%x", faulting_address);
kprint("\\nHalting system.");
while(1)
{
__asm__ __volatile__("hlt");
}
}
在開發過程中，我們遇到了三個極具代表性的硬核問題：
問題描述：隨著內核功能的增加（尤其是加入 Paging 代碼後），kernel.bin 的體積超過了 18 個扇區（約 9KB）。傳統的 CHS (Cylinder-Head-Sector) 尋址模式在讀取軟碟或模擬磁碟時會因為跨磁頭/磁道問題導致加載失敗。
解決方案：我們將引導程式讀取磁碟的邏輯從 int 0x13, ah=0x02 切換到了 LBA (Logical Block Addressing) 模式（int 0x13, ah=0x42）。LBA 將磁碟視為線性排列的扇區，徹底解決了尋址限制。