如何在自定义32位内核分页中重映射内核到虚拟地址0xC0000000

1. 修改链接脚本linker.ld实现虚拟地址链接与物理地址加载 #

你需要在链接脚本中明确区分虚拟内存地址（VMA）和加载内存地址（LMA），让内核代码段、数据段等链接到0xC0000000起始的虚拟地址，但实际加载到物理地址0x100000。

修改示例如下：

/* 定义内核虚拟基地址 */
KERNEL_VMA = 0xC0000000;
/* 内核物理加载地址 */
KERNEL_LMA = 0x100000;

ENTRY(_start)

SECTIONS {
    /* 虚拟地址从KERNEL_VMA开始 */
    . = KERNEL_VMA;

    .text ALIGN(4K) : AT(ADDR(.text) - KERNEL_VMA + KERNEL_LMA) {
        *(.text)
        *(.rodata)
    }

    .data ALIGN(4K) : AT(ADDR(.data) - KERNEL_VMA + KERNEL_LMA) {
        *(.data)
    }

    .bss ALIGN(4K) : AT(ADDR(.bss) - KERNEL_VMA + KERNEL_LMA) {
        *(.bss)
        *(COMMON)
    }

    /* 定义内核结束的虚拟地址，方便后续内存管理 */
    kernel_end = .;
}

• 核心逻辑：AT(ADDR(段) - KERNEL_VMA + KERNEL_LMA)计算段的物理加载地址，即虚拟地址减去内核虚拟基址，再加物理加载基址。
• _start的链接地址会变为0xC0000000 + 偏移，但实际加载到0x100000 + 偏移。

2. 修改分页设置映射物理地址0x100000到虚拟地址0xC0000000 #

基于你已有的页目录、页表结构，需在页目录中添加对应映射项，同时暂时保留身份映射（直到完成分页切换）。

假设使用4KB页（若用4MB大页可调整偏移位）： #

// 页目录/页表项属性：存在(P)=1，可读可写(RW)=1，用户态不可访问(US)=0
#define PAGE_ATTR 0x3

// 虚拟地址0xC0000000对应的页目录索引（4MB/项，右移22位）
#define KERNEL_VMA_DIR_INDEX (0xC0000000 >> 22)  // 结果为0x300

void remap_kernel() {
    // 计算物理地址0x100000对应的页帧号（4KB页，右移12位）
    uint32_t kernel_phys_frame = 0x100000 >> 12;
    // 虚拟地址0xC0000000对应的页表项索引
    uint32_t kernel_virt_table_idx = (0xC0000000 >> 12) % 1024;

    // 向页表写入映射项：物理页帧号 + 属性
    uint32_t* page_table = (uint32_t*)first_page_table;
    page_table[kernel_virt_table_idx] = (kernel_phys_frame << 12) | PAGE_ATTR;

    // 将页表地址写入页目录对应项
    uint32_t* page_dir = (uint32_t*)page_directory;
    page_dir[KERNEL_VMA_DIR_INDEX] = (uint32_t)first_page_table | PAGE_ATTR;

    // 刷新TLB，确保映射生效
    __asm__ volatile("movl %%cr3, %%eax; movl %%eax, %%cr3" ::: "eax");
}

• 若使用4MB大页：无需页表，直接将物理地址0x100000右移22位得到页帧号，写入页目录项，属性添加0x80（PS位，大页标志）。
• 保留身份映射：暂不删除物理地址0x100000对应的页目录项，直到完成物理地址到虚拟地址的跳转。

3. 重映射后确保内核正常运行的关键步骤与注意事项 #

• 强制跳转到虚拟地址入口：启用分页后，CPU的EIP仍指向物理地址指令，需立即跳转到虚拟地址的入口点：

  ; 启用分页后执行
  mov eax, 0xC0000000 + _start_offset  ; _start_offset是_start相对于物理基址的偏移
  jmp eax
  

• 段寄存器与GDT设置：确保GDT中所有段的基址为0，让逻辑地址等于线性地址（分页后线性地址会转换为物理地址），无需修改段寄存器，切换分页后自动生效。
• 栈地址更新：若栈原在物理地址，需将栈指针（ESP）更新为对应虚拟地址：

  mov esp, 0xC0000000 + original_physical_stack_offset
  

• 全局变量与指针修正：链接后的全局变量、函数指针均为虚拟地址，启用分页前不要访问这些变量，必须跳转至虚拟地址后再使用。
• 中断向量表（IDT）更新：将IDT中所有中断处理程序的入口地址替换为虚拟地址，因为分页启用后IDT存储的是线性地址（虚拟地址）。
• 页目录自身映射：若后续需修改页目录，需将页目录映射到虚拟地址空间（如0xFFC00000），避免用物理地址访问导致错误。
• 清理身份映射：确认内核完全运行在虚拟地址后，可删除物理地址0x100000对应的身份映射项，释放页表空间（可选）。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ilan Vinograd