探索 Linux 内存模型--转

将这些页映射成页框的数据结构称为页表 (page table)。页表存储在主存储器中，可由内核在启用分页单元之前对其进行恰当的初始化。图 5 展示了页表。

注意，上图 Page1 中包含的地址集正好与 Page Frame1 中包含的地址集匹配。

在 Linux 中，分页单元的使用多于分段单元。前面介绍 Linux 分段模型时已提到，每个分段描述符都使用相同的地址集进行线性寻址，从而尽可能降低使用分段单元将逻辑地址转换成线性地址的需要。通过更多地使用分页单元而非分段单元，Linux 可以极大地促进内存管理及其在不同硬件平台之间的可移植性。

下面让我们来介绍一下用于在 x86 架构中指定分页的字段，这些字段有助于在 Linux 中实现分页功能。分页单元进入作为分段单元输出结果的线性字段，然后进一步将其划分成以下 3 个字段：

Directory?以 10 MSB 表示（Most Significant Bit，也就是二进制数字中值最大的位的位置 —— MSB 有时称为最左位）。
• Table?以中间的 10 位表示。
• Offset?以 12 LSB 表示。（Least Significant Bit，也就是二进制整数中给定单元值的位的位置，即确定这个数字是奇数还是偶数。LSB 有时称为最右位。这与数字权重最轻的数字类似，它是最右边位置处的数字。）

线性地址到对应物理位置的转换的过程包含两个步骤。第一步使用了一个称为页目录 (Page Directory)?的转换表（从页目录转换成页表），第二步使用了一个称为页表 (Page Table)?的转换表（即页表加偏移量再加页框）。图 6 展示了此过程。

开始时，首先将页目录的物理地址加载到?cr3?寄存器中。线性地址中的 Directory 字段确定页目录中指向恰当的页表条目。Table 字段中的地址确定包含页的页框物理地址所在页表中的条目。Offset 字段确定了页框中的相对位置。由于 Offset 字段为 12 位，因此每个页中都包含有 4 KB 数据。

下面小结物理地址的计算：

1. cr3?+ Page Directory (10 MSB) = 指向?table_base
2. table_base?+ Page Table (10 中间位) = 指向?page_base
3. page_base?+ Offset = 物理地址 (获得页框)

由于 Page Directory 字段和 Page Table 段都是 10 位，因此其可寻址上限为 1024*1024 KB，Offset 可寻址的范围最大为 2^12（4096 字节）。因此，页目录的可寻址上限为 1024*1024*4096（等于 2^32 个内存单元，即 4 GB）。因此在 x86 架构上，总可寻址上限是 4 GB。

扩展分页是通过删除页表转换表实现的；此后线性地址的划分即可在页目录 (10 MSB) 和偏移量 (22 LSB) 之间完成了。

22 LSB 构成了页框的 4 MB 边界（2^22）。扩展分页可以与普通的分页模型一起使用，并可用于将大型的连续线性地址映射为对应的物理地址。操作系统中删除页表以提供扩展页表。这可以通过设置 PSE (page size extension) 实现。

36 位的 PSE 扩展了 36 位的物理地址，可以支持 4 MB 页，同时维护一个 4 字节的页目录条目，这样就可以提供一种对超过 4 GB 的物理内存进行寻址的方法，而不需要对操作系统进行太大的修改。这种方法对于按需分页来说具有一些实际的限制。

虽然 Linux 中的分页与普通的分页类似，但是 x86 架构引入了一种三级页表机制，包括：

页全局目录 (Page Global Directory)，即 pgd，是多级页表的抽象最高层。每一级的页表都处理不同大小的内存 —— 这个全局目录可以处理 4 MB 的区域。每项都指向一个更小目录的低级表，因此 pgd 就是一个页表目录。当代码遍历这个结构时（有些驱动程序就要这样做），就称为是在“遍历”页表。
• 页中间目录 (Page Middle Directory),即 pmd，是页表的中间层。在 x86 架构上，pmd 在硬件中并不存在，但是在内核代码中它是与 pgd 合并在一起的。
• 页表条目 (Page Table Entry)，即 pte，是页表的最低层，它直接处理页（参看?PAGE_SIZE），该值包含某页的物理地址，还包含了说明该条目是否有效及相关页是否在物理内存中的位。

为了支持大内存区域，Linux 也采用了这种三级分页机制。在不需要为大内存区域时，即可将 pmd 定义成“1”，返回两级分页机制。

分页级别是在编译时进行优化的，我们可以通过启用或禁用中间目录来启用两级和三级分页（使用相同的代码）。32 位处理器使用的是 pmd 分页，而 64 位处理器使用的是 pgd 分页。

如您所知，在 64 位处理器中：

21 MSB 保留未用
• 13 LSB 由页面偏移量表示
• 其余的 30 位分为：
  10 位用于页表
  • 10 位用于页全局目录
  • 10 位用于页中间目录

我们可以从架构中看到，实际上使用了 43 位进行寻址。因此在 64 位处理器中，可以有效使用的内存是 2 的 43 次方。

（编辑：济南站长网）

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