Linux内核中分页机制

朱熹之

页式管理用以将线性地址转化成物理地址，并对访问权限进行检查。每个页面都是一个大小为4KB的连续空间，并按4KB对齐。从80386开始，Intel处理器开始支持页式管理，CR0寄存器的PG标志位用来表示是否支持分页。
1、标准分页
i386采用二级分页，其线性地址的结构如下：
Dir
Page
Offset
其中，Dir有10位，表示页表目录项的下标，指向一个页表；Page有10位，表示一个具体页表中的目录项的下标，指向一个物理页面；Offset有12位，表示在物理页面中的偏移量（单位为字节）。
i386中，从线性地址到物理地址的映射过程为：
（1）从CR3寄存器中取得页目录（页目录中包含1024条记录，每个记录4字节，正好为4KB，占用一个页面）的基地址；
（2）以线性地址中的Dir为下标，从目录中取出相应页表的基地址；
（3）以线性地址中的Page为下标，从页表中取出相应的页面描述结构；
（4）将页面描述符中的基地址与线性地址中的Offset偏移量相加，获得实际的物理地址。
2、页描述表项
在i386中，页目录和页表的结构相同，页描述表项的结构如下：
Address
Avail
G
PS
D
A
PCD
PWT
U/S
R/W
P
其中，Address有20位，表示对应页表或页的物理地址的高20位（由于页总是按4KB对其，故低12位恒为0）；Avail有3位，供系统程序员使用；G只有1位，在页目录项中表示该页是否为全局页，在页表项中忽略；PS只有1位，在页表目录项中为1表示为4MB的页，为0表示为4KB的页；D只有1位，在页表目录项中未使用，在页表项中表示该页是否已被更改；A只有1位，表示该页是否已被访问过；PCD只有一位，表示该项是否禁止被缓存；PWT只有一位，为1表示使用write-through缓存策略，0表示使用write-back缓存策略；U/S只有一位，为1表示访问该页是否可以在用户态下访问；R/W只有一位，表示该项是否可写；P只有1位，表示该项是否在内存中。
如果要使用4MB的扩展分页，则要求CR4寄存器中的PSE标志被置1。此时，系统仅采用一级分页策略，线性地址前10位为页表项，后22位为偏移量，且页按4MB对齐，页描述表项中Address仅有高10位有效。
3、物理地址扩展（PAE）分页机制
从Pentium Pro开始，Intel处理器的地址总线宽度增加到了36位，共支持访问64GB的内存。同时，Intel提供了PAE和页大小扩展（PSE-36）两种机制用以将32位的线性地址转化成36位的物理地址。其中，后者从Pentium III开始提供，且未在Linux内核中使用。
要启用PAE机制必须将CR4寄存器中的PAE标志置位。PAE启用后，处理器会对分页机制做如下更改：
（1）将64GB的内存空间划分成2^24个不同页面，页表项的体积扩展为64位，物理地址域扩展为24位；
（2）引入新的最高一级页表，称为页目录指针表（PDPT），其中包含4个64位的项；
（3）CR3寄存器中包含27位的PDPT的高位地址（其低5位地址为0）；
（4）当将线性地址映射到4KB的页面时，CR3由高位到低位依次为2位PDPT索引，9位页目录索引，9位页表索引，12位页内偏移；当将线性地址映射到4KB的页面时，CR3由高位到低位依次为2位PDPT索引，9位页目录索引，21位页内偏移。
但是，PAE机制并未增大单个进程能够访问的地址空间，仅仅将内核能够访问的地址空间增加到了64GB。
4、Linux内核中的分页
Linux内核对分页机制的依赖性很强，其使用一种适合32位和64位结构的通用分页模型，该模型使用四级分页，即页全局目录、页上层目录、页中层目录和页表。
对于不同的体系结构，Linux采用的四级页表目录的大小有所不同：对于i386而言，仅采用二级页表，即页上层目录和页中层目录长度为0；对于启用PAE的i386，采用了三级页表，即页上层目录长度为0；对于64位体系结构，可以采用三级或四级页表，具体选择由硬件决定。




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