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#Linux内存管理# 在ARM32系统中，页表是如何映射的？在ARM64系统中，页表又是如何映射的？

news 来源：原创 2025/9/17 16:32:44

一、ARM32系统页表映射

1. 层级结构与地址划分

默认实现：采用两层映射（PGD→PTE），合并Linux标准三级模型中的PMD层。

虚拟地址解析（以4KB页为例）：

Bits[31:20]：一级页表（PGD）索引，定位页目录项（PDE）。

Bits[19:12]：二级页表（PTE）索引，定位页表项。

Bits[11:0]：页内偏移量。

特殊模式：

段映射（1MB段）：单层映射，虚拟地址高12位直接定位段表项，生成物理段基地址。

大页映射（64KB页）：减少页表层级，提升转换效率。

2. 关键硬件机制

TTBR寄存器：存储一级页表（PGD）的物理基地址。

MMU工作流程：

a.从TTBR获取PGD基地址。

b.根据虚拟地址高12位定位PDE。

c.若PDE指向PTE，则继续解析PTE；若直接映射段，则生成物理地址。

页表存储：

PGD：固定16KB大小（4096项×4B），需16KB对齐（如0xc0004000）。

PTE：动态分配，每项4B，描述4KB物理页基地址和权限。

3. 内核实现特点

双套页表：Linux维护独立于硬件的页表项，与ARM32硬件页表紧邻存储。

低端内存优化：前896MB物理内存采用线性映射（__va(phys) = phys + PAGE_OFFSET）。

二、ARM64系统页表映射

1. 层级结构与地址划分

默认实现：采用四级映射（PGD→PUD→PMD→PTE），支持48位虚拟地址（可扩展至52位）。

虚拟地址解析（4KB页为例）：

Bits[47:39]：PGD索引。

Bits[38:30]：PUD索引。

Bits[29:21]：PMD索引。

Bits[20:12]：PTE索引。

Bits[11:0]：页内偏移量。

大页支持：

2MB大页：合并PMD→PTE，直接通过PMD项映射。

1GB大页：合并PUD→PMD→PTE，直接通过PUD项映射。

2. 关键硬件机制

TTBR0/TTBR1：

TTBR0：用户空间页表基地址（进程独立）。

TTBR1：内核空间页表基地址（全局共享）。

MMU工作流程：

根据当前模式（用户/内核）选择TTBR0或TTBR1。

逐级解析PGD→PUD→PMD→PTE，生成物理地址。

页表动态分配：所有层级页表（包括PGD）均由伙伴系统动态分配，无固定物理地址。

3. 内核实现特点

灵活配置：支持4KB/16KB/64KB页大小（通过CONFIG_ARM64_PAGESIZE配置）。

线性映射区：内核虚拟地址ffff000000000000~ffff7fffffffffff映射所有物理内存，类似ARM32的low memory。

TLB优化：通过连续大页减少TLB未命中率。

三、ARM32与ARM64对比总结

特性 ARM32 ARM64

映射层级 2层（PGD→PTE），支持段映射 4层（PGD→PUD→PMD→PTE），支持动态合并层级

页表存储 PGD固定地址，PTE动态分配全部页表动态分配

地址空间 32位虚拟地址（4GB） 48/52位虚拟地址（256TB/4PB）

大页支持 1MB段或64KB页 2MB/1GB大页

内核映射优化低端内存线性映射（896MB）线性映射区覆盖全部物理内存

寄存器机制单TTBR寄存器（内核与用户共用）双TTBR寄存器（TTBR0用户/TTBR1内核）

四、典型场景案例

ARM32设备寄存器映射

static struct map_desc io_desc __initdata = {

.virtual = 0xF0000000, // 虚拟地址

.pfn = __phys_to_pfn(0x10000000), // 物理地址页帧号

.length = SZ_1M, // 映射长度1MB

.type = MT_DEVICE // 设备内存属性

};

iotable_init(&io_desc, 1); // 建立页表映射

ARM64大页内存分配

# 挂载2MB大页文件系统

mount -t hugetlbfs -o pagesize=2M none /mnt/huge

# 应用程序通过mmap申请大页

addr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);

五、调试与监控工具

查看页表物理地址：

# ARM32查看PGD基址

arm-none-eabi-readelf -a vmlinux | grep swapper_pg_dir

# ARM64查看进程PGD

cat /proc/$(pidof process)/arch_status | grep TTBR0

监控页表内存占用：

grep PageTables /proc/meminfo # 显示总页表物理内存占用

通过上述机制，ARM32和ARM64在兼容性与性能之间取得平衡，满足从嵌入式设备到数据中心服务器的多样化需求。

#Linux内存管理# 在ARM32系统中，页表是如何映射的？在ARM64系统中，页表又是如何映射的？

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