Linux页表查询--页表项、页面、页内偏移量

在Linux内核管理中，MMU的页表查询是最基础的知识，这里目的是通过理解页表查询过程，去厘清页表、页表项、页面、页面偏移量(也称页内偏移量)等概念及它们之间的关系，为Linux内核管理的学习与使用奠定基础。

接下来这里用最简单的一级页表查询过程来说明，理解了一级页表的查询过程，那么二级页表查询、三级页表查询也就能依次类推了。

前提条件：

以32位宽的处理器(虚拟地址和物理地址均是32位位宽)、页面大小4KB为前提讲解。

前提条件的分析：

1.寻址空间大小的由来：
由于是32位位宽，所以寻址空间大小是4GB，怎么计算来的呢？
32位—>则可以知道一共有2^32个地址，会有地址0x0000 0000、0x0000 0001、0x0000 0002…0xffff ffff，每个相邻地址间都只相差一个字节(1Byte)，那是因为arm是以单个字节为单位寻址的，其他变量类型只是单个字节char类型的变种。所以2^32*1Byte = 4GB(地址个数 * 每个地址占1Byte大小 = 总的寻址空间大小)，即寻址空间大小。

2.页面大小
前提条件里说页面大小4KB，这个其实是指物理页面大小，这个大小是由.s文件里设定的，也可以设定为16KB、64KB等等，一开始就设定了，设定好后，后面的页表大小才能确定，这里就以经典的4KB大小来说明。

一级页表查询

基于上述前提条件，一级页表查询过程如下图：

根据上图，我们先理解：
1.虚拟地址的VA[11:0]：称为页面偏移量，因为物理页面大小是4KB，所以一个物理页面内有2^12 个地址，即页面内偏移量是0- - -2^12，需要占用12位；
2.虚拟地址的VPN[31:12]：称为虚拟页帧号，它代表在页表中的偏移量，页表的基地址加上VPN(页表中的偏移量)，就得到了页表中具体页表项的地址；
3.有效位：单个页表项中的一个属性位v，表示页表项的属性，v=0表示对应物理页面不存在内存中；v=1表示对应的物理页面存在内存中。

由上图我们可以知道：
查询一个虚拟地址对应的物理地址的过程如下：
虚拟地址的VPN作为索引(偏移量) + 页表基地址(即页表的起始地址，存放在页表基地址寄存器) = 页表中具体某一个页表项的地址
—>
找到页表项地址后，读取出该页表项里存放的PFN，即拿到PFN(物理页面的基地址，即页面起始地址)
—>
物理地址的PFN作为页面基地址(即页面起始地址，也称页帧号) + 虚拟地址的VA(即页面内偏移量，也就是等价于PA) = 物理地址

页表、页表项、页面间的概念与关系：
页表：由所有页表项组成；
页表项：一个页表项占用4个字节(因为是32位宽，所以这里一个页表项占4个字节)，一个页表项里面存储了一个PFN(物理页面在内存中的帧号，也即物理页面的基地址)；
页面：这个是指物理页面，物理内存中把内存分成一个个页面，每个页面大小一样；

我们来看看，4GB物理内存，页面大小4KB时，为了能映射整个4GB物理地址空间，需要多大的页表来存储VPN到PFN的映射关系呢？页表中总共有多少页表项呢？
4GB(总的物理内存大小) / 4KB(每个页面大小) = 2^20 个页面；
一个页面就有一个页面基地址- -PFN(页面的起始地址，也称页帧号)，一个页表项存储一个PFN信息，那么就一共有2^20 个页表项；
2^20(页表项个数) * 4Byte(一个页表项占空间大小，4字节) = 2^20 * 2^2 B= 4M；
所以，页表大小4M，由2^20个页表项组成。而页表项地址如上面查询过程所提，一个页表项地址对应一个VPN索引值(偏移量)，所以要表示 2^20个索引值(偏移量)，需要20位，即VPN占虚拟地址的位数(31:12，20位)。