一级页表（4M）和二级页表（4K）

x86 32 位分页机制（一级 & 二级页表）详解

在 x86 32 位分页机制（Paging）中，虚拟地址 到 物理地址 需要 页表转换，有两种常见模式：

• 一级页表（4MB 页）：直接映射，无需二级页表
• 二级页表（4KB 页）：两级转换，细粒度分页

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1. x86 32 位的虚拟地址空间

• 虚拟地址（Virtual Address）= 32 位：
  [
  2^{32} = 4GB
  ]
  CPU 看到的是 4GB 虚拟地址，而不是物理地址，需要页表转换。

• 分页机制的作用

  1. 让进程有独立的地址空间
  2. 可以使用比物理内存更大的虚拟内存
  3. 支持进程间隔离，提高安全性
  4. 减少碎片，提高内存管理效率

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2. 一级页表转换（直接映射 4MB 页）

• 一级页表 = 只用页目录（Page Directory）
• 一个页目录项（PDE）直接映射一个 4MB 物理页
• 无需二级页表

📌 地址划分

| 10-bit 页目录索引 | 22-bit 页偏移 |
---------------------------------
|      10 位      |      22 位      |

• 前 10 位：页目录索引（找到页目录表中的一个 PDE）
• 后 22 位：页偏移（直接在 4MB 页内寻址）

📌 示例

假设虚拟地址：

虚拟地址 = 0x12345678

拆分：

页目录索引 = (0x12345678 >> 22) = 0x48
页偏移 = 0x345678 & 0x3FFFFF = 0x345678

• 先查 页目录表 的第 0x48 项（指向物理地址 0x08000000）。
• 物理地址 = 0x08000000 + 0x345678。

✅ 直接映射 4MB 大页，不需要二级页表，适用于内核高效映射大块内存。

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3. 二级页表转换（4KB 页，常用）

• 二级页表 = 页目录（Page Directory）+ 页表（Page Table）
• 一个页目录项（PDE）指向一个页表（4KB 页表）
• 一个页表项（PTE）指向 4KB 物理页
• 用于常规用户态进程映射，支持更细粒度的分页

📌 地址划分

| 10-bit 页目录索引 | 10-bit 页表索引 | 12-bit 页偏移 |
-------------------------------------------------
|      10 位      |      10 位      |      12 位      |

• 前 10 位：页目录索引（找到页目录表中的 PDE）
• 中 10 位：页表索引（找到页表中的 PTE）
• 后 12 位：页内偏移（在 4KB 页内寻址）

📌 示例

假设 虚拟地址：

虚拟地址 = 0x12345678

拆分：

页目录索引 = (0x12345678 >> 22) & 0x3FF = 0x48
页表索引 = (0x12345678 >> 12) & 0x3FF = 0x15E
页偏移 = 0x12345678 & 0xFFF = 0x678

转换步骤

1. 查 页目录表（PDE），找到 第 0x48 项，指向 页表地址 0x400000。
2. 查 页表（PTE），找到 页表 0x400000 的 0x15E 项，指向 物理页 0x8000。
3. 计算物理地址：

   物理地址 = 0x8000 + 0x678 = 0x8678
   

✅ 支持 4KB 精细分页，适合进程映射和内存管理。

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4. 对比一级页表和二级页表

方式	页大小	地址索引结构	是否需要二级转换	适用场景
一级页表	4MB	10 位 + 22 位	❌ 直接映射	内核大块内存映射
二级页表	4KB	10 位 + 10 位 + 12 位	✅ 两级转换	进程内存管理

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5. 结论

• x86 32 位支持两种分页模式：

  1. 一级页表（4MB 大页）：直接映射，适合内核大块内存。
  2. 二级页表（4KB 小页）：适用于用户进程，分页更精细。

• 一级页表：10-bit 目录索引 + 22-bit 偏移

• 二级页表：10-bit 目录索引 + 10-bit 页表索引 + 12-bit 偏移

🚀 二级页表更常见，能精细控制内存，但多了一次页表访问（TLB 缓存优化）。 🎯