【Linux】页表的实现与地址转换

页表的实现与地址转换

页表是软件实现的，但是页表的查找是MMU完成的，所以硬件定义了页表的实现规则，软件做的只有选择页表的级别，是否使用huge page以及填充对应的权限标志位。每个进程都拥有一个自己的页表，在linux中，有一个页目录数组，这是分页机制的最高层，每个进程的页表对应其中的一个页目录项，通过cr3寄存器(存放页目录项的物理地址)可以访问。一个进程的页表，对应的页表项中对应页的物理地址。

分页机制

两级页表举例：

两级表的第一级表称为页目录，存储在一个4K字节的页中，页目录表共有1K个表项，每个表项为4个字节，线性地址最高的10位（22-31）用来产生第一级表索引，由该索引得到的表项中的内容定位了两级页表中的一个表的地址，即下级页表所在的内存块号。

第二级页表称为页表，存储在一个4K字节页中，它包含了1K字节的表项，每个表项包含了一个页的物理地址。二级页表由线性地址的中间10位（12-21）位进行索引，定位页表表项，获得页的物理地址。页物理地址的高20位与线性地址的低12位形成最后的物理地址。

四级页表举例如图：

页表PGD的首地址是通过mm_struct中的pgd得到的:pgd_t *pgd，pgd_offset(),pmd_offset(),pmd_offset()分别用于从线性地址中提取PGD,PMD和PTE表所需的index.

PGD,PUD,PMD,PTE分别都是一个4k的page,其实，PGD,PUD,PMD,PTE是四张table，table的大小都是4k,其中table的entry分别是pgd_t,pud_t,pmd_t,pte_t,都是unsigned long类型（8字节），4k(2的12次方)/8字节=512个entry（2的9次方）;PTE的table大小也是4k,entry大小也是8字节，所以，PTE表中可以存放512个entry(也就是512个物理地址)，PTRS_PER_***宏表示表中项(entry)的个数。

linux中用PAGE_SHIFT表示一个PTE所对应的内存范围,表示线性地址offset字段的位数。该宏的值被定义为12位，即页的大小为4KB。

#define PAGE_SHIFT 12

PMD_SHIFT和PGDIR_SHIFT分别表示一个PMD和一个PGD所对应的内存所需要的bit数。在四级分页模型中，PGDIR_SHIFT占据39位，即9位页上级目录，9位中间目录，9位页表和12位偏移。页全局目录同样占线性地址的9位，因此PTRS_PER_PGD为512.

PAGE_SIZE,PMD_SIZE,PGDIR_SIZE则分别表示一个PTE,PMD,PGD所对应的内存范围的大小。PAGE_MASK,PMD_MASK,PGDIR_MASK则是用于提取地址位的掩码,MASK与SIZE的大小如下图所示：

关于类似的相关宏参考：https://blog.csdn.net/weixin_34186128/article/details/93170177

地址转换过程（代码实现MMU转换过程）

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/mm_types.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/export.h>static unsigned long cr0;
static unsigned long cr3;static unsigned long vaddr = 0;static void get_pgtable_macro(void)
{cr0 = read_cr0();cr3 = read_cr3_pa();printk("cr0 = 0x%lx, cr3 = 0x%lx\n", cr0, cr3);printk("PGDIR_SHIFT = %d\n", PGDIR_SHIFT);printk("P4D_SHIFT = %d\n", P4D_SHIFT);printk("PUD_SHIFT = %d\n", PUD_SHIFT);printk("PMD_SHIFT = %d\n", PMD_SHIFT);printk("PAGE_SHIFT = %d\n", PAGE_SHIFT);//页目录表中项的个数printk("PTRS_PER_PGD = %d\n", PTRS_PER_PGD);printk("PTRS_PER_P4D = %d\n", PTRS_PER_P4D);printk("PTRS_PER_PUD = %d\n", PTRS_PER_PUD);printk("PTRS_PER_PMD = %d\n", PTRS_PER_PMD);printk("PTRS_PER_PTE = %d\n", PTRS_PER_PTE);//页内偏移掩码，用来屏蔽 page_offsetprintk("PAGEMASK = 0x%lx\n", PAGE_MASK);
}void vaddr2paddr(unsigned long vaddr)
{pgd_t *pgd;p4d_t *p4d;pud_t *pud;pmd_t *pmd;pte_t *pte;unsigned long paddr = 0;unsigned long page_addr = 0;unsigned long page_offset = 0;//取得页全局目录项//pgd_index(addr):返回PGD包含的项中，地址字段值为addr的项的索引,下同//pgd_val(pgd)获得pgd所指的页全局目录项，下同pgd = pgd_offset(current->mm, vaddr);printk("pgd_val = 0x%lx, pgd_index = %lu\n", pgd_val(*pgd), pgd_index(vaddr));//取得 p4dp4d = p4d_offset(pgd, vaddr);printk("p4d_val = 0x%lx, p4d_index = %lu\n", p4d_val(*p4d), p4d_index(vaddr));//取得页上级目录项pud = pud_offset(p4d, vaddr);printk("pud_val = 0x%lx, pud_index = %lu\n", pud_val(*pud), pud_index(vaddr));//取得页中间目录项pmd = pmd_offset(pud, vaddr);printk("pmd_val = 0x%lx, pmd_index = %lu\n", pmd_val(*pmd), pmd_index(vaddr));//取得页表（在主内核页表中查找）pte = pte_offset_kernel(pmd, vaddr);printk("pte_val = 0x%lx, pte_index = %lu\n", pte_val(*pte), pte_index(vaddr));//取得的页表项的低 12 位放的是页属性//所以用 PAGE_MASK 来清除page_addr = pte_val(*pte) & PAGE_MASK;//取得页内偏移 page_offset//也就是只取虚拟地址的低 12 位page_offset = vaddr & ~PAGE_MASK;//然后和并页表地址和页内偏移取得物理地址paddr = page_addr | page_offset;printk("page_addr = 0x%lx, page_offset = 0x%lx\n", page_addr, page_offset);printk("virtual address = 0x%lx, physical address = 0x%lx\n", vaddr, paddr);}static int __init v2p_init(void)
{unsigned long vaddr = 0;printk("vritual address to physical address module is running..\n");get_pgtable_macro();printk("\n");vaddr = __get_free_page(GFP_KERNEL);if(vaddr == 0){printk("__get_free_page failed..\n");return 0;}printk("get_page_vaddr = 0x%lx\n", vaddr);vaddr2paddr(vaddr);return 0;
}static void __exit v2p_exit(void)
{free_page(vaddr);printk("module is leaving...\n");
}module_init(v2p_init);
module_exit(v2p_exit);