页表结构详细说明

一、页表

1. 内存地址的分解

我们知道linux采用了分页机制，通常采用四级页表，页全局目录(PGD)，页上级目录(PUD)，页中间目录(PMD)，页表(PTE)。如下：

其含义定义在arch/arm64/include/asm/pgtable-hwdef.h文件中：

CONFIG_PGTABLE_LEVELS				//页表级数

//offset
#define PAGE_SHIFT		CONFIG_ARM64_PAGE_SHIFT			//页offset，为12
#define PAGE_SIZE		(_AC(1, UL) << PAGE_SHIFT)		//页大小，为4k

//PTE
#define PTRS_PER_PTE		(1 << (PAGE_SHIFT - 3))		//PTE位数，为9

#define ARM64_HW_PGTABLE_LEVEL_SHIFT(n)	((PAGE_SHIFT - 3) * (4 - (n)) + 3)

//PMD
#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2
#define PMD_SHIFT		ARM64_HW_PGTABLE_LEVEL_SHIFT(2)
#define PMD_SIZE		(_AC(1, UL) << PMD_SHIFT)		//2M
#define PMD_MASK		(~(PMD_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PMD		PTRS_PER_PTE				//PMD位数，为9
#endif

//PUD
#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 3
#define PUD_SHIFT		ARM64_HW_PGTABLE_LEVEL_SHIFT(1)
#define PUD_SIZE		(_AC(1, UL) << PUD_SHIFT)		//1G
#define PUD_MASK		(~(PUD_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PUD		PTRS_PER_PTE				//PUD位数，为9
#endif

//PGD
#define PGD_SIZE	(PTRS_PER_PGD * sizeof(pgd_t))  //4096 
#define VA_BITS			(CONFIG_ARM64_VA_BITS)		//4级页表为48，3级页表为39
#define PGDIR_SHIFT		ARM64_HW_PGTABLE_LEVEL_SHIFT(4 - CONFIG_PGTABLE_LEVELS)
#define PGDIR_SIZE		(_AC(1, UL) << PGDIR_SHIFT)		
#define PGDIR_MASK		(~(PGDIR_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PGD		(1 << (VA_BITS - PGDIR_SHIFT))

看到这里我们知道4级页表虚拟地址为48位，页全局目录(PGD)，页上级目录(PUD)，页中间目录(PMD)，页表(PTE)都是9位，offset是12位。但是有些系统是使用3级页表的，那么他的虚拟地址为39位，页全局目录(PGD)，页中间目录(PMD)，页表(PTE)都是9位，offset是12位，也就是说，少了页上级目录(PUD)。其实我们使用3级页表就够了，39为的虚拟地址可以操作512g的内存，是完全够用的。我们国产操作系统就是使用3级页表的。最后说明一下。无论是3级页表还是4级页表，我们的物理地址都是48位的。

1.2 页表的数据结构

我们已经确立了页表项的数目，但没有定义其结构。内核提供了4个数据结构（定义在 arch/arm64/include/asm/pgtable-types.h中）来表示页表项的结构。

typedef struct { pteval_t pte; } pte_t;
#define pte_val(x)	((x).pte)
#define __pte(x)	((pte_t) { (x) } )

#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2
typedef struct { pmdval_t pmd; } pmd_t;
#define pmd_val(x)	((x).pmd)
#define __pmd(x)	((pmd_t) { (x) } )
#endif

#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 3
typedef struct { pudval_t pud; } pud_t;
#define pud_val(x)	((x).pud)
#define __pud(x)	((pud_t) { (x) } )
#endif

typedef struct { pgdval_t pgd; } pgd_t;
#define pgd_val(x)	((x).pgd)
#define __pgd(x)	((pgd_t) { (x) } )

typedef struct { pteval_t pgprot; } pgprot_t;
#define pgprot_val(x)	((x).pgprot)
#define __pgprot(x)	((pgprot_t) { (x) } )

typedef u64 pteval_t;
typedef u64 pmdval_t;
typedef u64 pudval_t;
typedef u64 pgdval_t;

从代码中我们看到了以下东西：

1. 页表项的结构
   pgd_t 用于全局页目录项。
   pud_t 用于上层页目录项。
   pmd_t 用于中间页目录项。
   pte_t 用于直接页表项。

页表项的结构	pgd_t 用于全局页目录项。pud_t 用于上层页目录项。pmd_t 用于中间页目录项。pte_t 用于直接页表项。

1.3 特定于页表的信息

arch/arm64/include/asm/pgtable-hwdef.h

/*
 * Level 3 descriptor (PTE).
 */
#define PTE_TYPE_MASK		(_AT(pteval_t, 3) << 0)
#define PTE_TYPE_FAULT		(_AT(pteval_t, 0) << 0)
#define PTE_TYPE_PAGE		(_AT(pteval_t, 3) << 0)
#define PTE_TABLE_BIT		(_AT(pteval_t, 1) << 1)
#define PTE_USER		(_AT(pteval_t, 1) << 6)		/* AP[1] */
#define PTE_RDONLY		(_AT(pteval_t, 1) << 7)		/* AP[2] */
#define PTE_SHARED		(_AT(pteval_t, 3) << 8)		/* SH[1:0], inner shareable */
#define PTE_AF			(_AT(pteval_t, 1) << 10)	/* Access Flag */
#define PTE_NG			(_AT(pteval_t, 1) << 11)	/* nG */
#define PTE_DBM			(_AT(pteval_t, 1) << 51)	/* Dirty Bit Management */
#define PTE_CONT		(_AT(pteval_t, 1) << 52)	/* Contiguous range */
#define PTE_PXN			(_AT(pteval_t, 1) << 53)	/* Privileged XN */
#define PTE_UXN			(_AT(pteval_t, 1) << 54)	/* User XN */
#define PTE_HYP_XN		(_AT(pteval_t, 1) << 54)	/* HYP XN */

/*
 * Level 2 descriptor (PMD).
 */
#define PMD_TYPE_MASK		(_AT(pmdval_t, 3) << 0)
#define PMD_TYPE_FAULT		(_AT(pmdval_t, 0) << 0)
#define PMD_TYPE_TABLE		(_AT(pmdval_t, 3) << 0)
#define PMD_TYPE_SECT		(_AT(pmdval_t, 1) << 0)
#define PMD_TABLE_BIT		(_AT(pmdval_t, 1) << 1)

#define PUD_TYPE_TABLE		(_AT(pudval_t, 3) << 0)
#define PUD_TABLE_BIT		(_AT(pudval_t, 1) << 1)
#define PUD_TYPE_MASK		(_AT(pudval_t, 3) << 0)
#define PUD_TYPE_SECT		(_AT(pudval_t, 1) << 0)

还有一些用于处理内存页的体系结构相关状态的函数：

函数	描述
pte_present	页在内存中吗
pte_read	从用户空间可以读取该页吗
pte_write	可以写入到该页吗
pte_exec	该页中的数据可以作为二进制代码执行吗
pte_dirty	页是脏的吗？其内容是否修改过
pte_file	该页表项属于非线性映射吗
pte_young	访问位（通常是_ PAGE_ACCESS ）设置了吗
pte_rdprotect	清除该页的读权限
pte_wrprotect	清除该页的写权限
pte_exprotect	清除执行该页中二进制数据的权限
pte_mkread	设置读权限
pte_mkwrite	设置写权限
pte_mkexec	允许执行页的内容
pte_mkdirty	将页标记为脏
pte_mkclean	“清除”页，通常是指清除 _PAGE_DIRTY 位
pte_mkyoung	设置访问位，在大多数体系结构上是 _PAGE_ACCESSED
pte_mkold	清除访问位
以上函数一般是用于设置、删除、查询某个特定的属性（例如，页的写权限）。

1.4 页表的格式、

ARM64 处理器把页表称为转换表（ translation table ），最多 4 级。分别是页全局目录(PGD)，页上级目录(PUD)，页中间目录(PMD)，页表(PTE)。ARM64 处理器把表项称为描述符（ descriptor ），使用 64 位的长描述符格式。描述符的第 0 位指示描述符是不是有效的： 0 表示无效， 1 表示有效；第 1 位指定描述符类型。

1. 页目录项，就是在页全局目录(PGD)，页上级目录(PUD)，页中间目录(PMD)中， 0 表示块（ block ）描述符， 1 表示表（ table ）描述符。块描述符存放一个内存块（即巨型页）的起始地址，表描述符存放下一级转换表的地址。
2. 页目表项，就是页表(PTE)， 0 表示保留描述符， 1 表示页描述符。

1.4.1 页目录项

1. 无效描述符：无效描述符的第 0 位是 0 。
   

2. 块描述符：块描述符的最低两位是 01。
   

3. 表描述符：表描述符的最低两位是 11。
   

1.4.2 页目表项

1. 无效描述符：无效描述符的第 0 位是 0。
   

2. 保留描述符：保留描述符的最低两位是 01。
   

3. 页描述符：页描述符的最低两位是 11
   

无论是页目录项的块描述符还是页表项的页描述符，都是表示一个整体的内存；块描述符一般用于巨型页，而页描述符用于普通页。
他们的内存属性被拆分成一个高属性块和一个低属性块，具体可以看下面的图和表：

位数	含义
59 ～ 62	基于页的硬件属性（ Page-Based Hardware Attributes ），如果没有实现 ARMv8.2-TTPBHA ，忽略。
55 ～ 58	保留给软件使用。
54	在异常级别 0 ，表示 UXN （ Unprivileged execute-Never ），即不允许异常级别0 执行内核代码；在其他异常级别，表示 XN （ execute-Never ），不允许执行。
53	PXN （ Privileged execute-Never ），不允许在特权级别（即异常级别 1/2/3 ）执行。
52	连续（ Contiguous ），指示这条转换表项属于一个连续表项集合，一个连续表项集合可以被缓存在一条 TLB 表项里面
51	脏位修饰符（ Dirty Bit Modifier ， DBM ），指示页或内存块是否被修改过。
11	非全局（ not global ， nG ）。 nG 位是 1 ，表示转换不是全局的，是进程私有的，有一个关联的地址空间标识符（ Address Space Identifier ， ASID ）； nG 位是 0 ，表示转换是全局的，是所有进程共享的，内核的页或内存块是所有进程共享的。
10	访问标志（ Access Flag ， AF ），指示页或内存块自从相应的转换表描述符中的访问标志被设置为 0 以后是否被访问过。
8 ～ 9	可共享性（ SHareability ， SH ）， 00 表示不共享， 01 是保留值， 10 表示外部共享， 11 表示内部共享。
6 ～ 7	AP[2:1] （ Data Access Permissions ，数据访问权限）。AP[2] 用来选择只读或读写， 1 表示只读， 0 表示读写； AP[1] 用来选择是否允许异常级别 0 访问， 1 表示允许异常级别 0 访问， 0 表示不允许异常级别 0 访问。
5	非安全（ Non-Secure ， NS ）。对于安全状态的内存访问，指定输出地址在安全地址映射还是在非安全地址映射。
2 ～ 4	内存属性索引（ memory attributes index ， AttrIndx ），指定寄存器 MAIR_ELx中内存属性字段的索引，内存属性间接寄存器（ Memory Attribute Indirection Register ，MAIR_ELx ）有 8 个 8 位内存属性字段： Attr ， n 等于 0 ～ 7 。