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[转载]理解 paging
物理地址：
| linear address ----> paging ----> physical address |
SO, 这里主要理解 paging 的来龙去脉。
4.1、地址组成
physical address = page‘s base address + offset
这个页基址经过几级数据结构（page-translation tables）寻址得，offset 在 linear address 中提供。
4.2、page-translation tables 的基址
CR3 寄存器中存放最高一层 page-translation tables 基址，在 x86 下是 32 位，x64 下被扩展为 64 位
4.2.1、 x86 下的 CR3 结构
(1) 非 PAE 模式下
CR3[31,12]： 对应着 page tables 的基址
CR3[4]：是 PCD（page cache disable）标志位。
CR3[3]：是 PWT（page writethrough）标志位。
其余保留，这意味着高最级的 page tables 是 4Kbyte 边界对齐，bit11 ~ bit0 为 0。
(2) PAE 模式下
CR3[31,5]： 对应着 page tables 的基址
CR3[4]：是 PCD（page cache disable）标志位。
CR3[3]：是 PWT（page writethrough）标志位。
其余保留，这意味着高最级的 page tables 是 32byte 边界对齐，bit4 ~ bit0 为 0。
4.2.2、x64 下的 CR3 结构
(1) Intel 的实现
CR3[39，12]： 对应着 page tables 的基址
CR3[4]：是 PCD（page cache disable）标志位。
CR3[3]：是 PWT（page writethrough）标志位。
其余保留，这意味着高最级的 page tables 是 4Kbyte 边界对齐，bit11 ~ bit0 为 0。
Intel 实现支持最高 40 位物理地址。
(2) AMD 实现
CR3[52，12]： 对应着 page tables 的基址
CR3[4]：是 PCD（page cache disable）标志位。
CR3[3]：是 PWT（page writethrough）标志位。
其余保留，这意味着高最级的 page tables 是 4Kbyte 边界对齐，bit11 ~ bit0 为 0。
AMD 实现最高支持 52 位物理地址。
4.3、 page-translation tables 数据结构
AMD 实现 4 种尺寸的页：4K page、2M page、4M page 以及 1G page
Intel 不支持 1G page，实现 4K page、2M page 以及 4M page
每种大小的页面决定了不同的 page-tables 数据结构
4.3.1、 先说说 4K page
4K 大小的页面，意味着：页地址是 4Kbyte 边界对齐，也即是 bit11 ~ bit0 为 0。
所以：linear address 中的低 12 位是 page 内 offset 值，整个地址空间中可以有 1M (1024*1024) 个 pages。
(1) 在 x86 下 32 位的 linear address 进行 paging 时，其 page-translation tables 经过 2 级寻址，分别寻址 page tabls 以及 pages。
2 个数据结构：PDT（page-directory tables）、PT（page tables)
所以，linear address 分成 3 个部分：
Bit31 ~ Bit22：共10 位，用来寻址 PT (page tables），即：在 PDT 中索引 PDE 值。
Bit21 ~ Bit12：共10 位，用来寻址真正页面 pages，即：在 PT 中索引 PTE 值。
Bit11 ~ Bit0 ：共12 位，代表 4Kbyte 页面空间的 offset 值，即：在 page 中具体定位。
(2) 在 x64 下 64 位的 linear address 进行 paging 时，其 page-translation tables 经过 3 级寻址，分别寻址 page-directory pointer tables、page-directory tables、page tables 以及 pages。
4 个数据结构为：PML4T（page map level4 tables）、PDPT（page directory pointer tables）、PDT（page directory tables）以及 PT（page tables）。
实际上，64 位的 linear address 只实现了 48 位 linear address，高 16 位 linear address 是符号扩展位。
所以，48 位的 linear address 分成 5 个部分：
bit47 ~ bit39：共 9 位，用来寻址 PDPT（page directory pointer tables），即在 PML4T 中索引 PML4E 值。
bit38 ~ bit30：共 9 位，用来寻址 PDT（page directory tables），即在 PDPT 中索引 PDPE 值。
bit29 ~ bit21：共 9 位，用来寻址 PT （page tables），即在 PDT 中索引 PDE 值。
bit20 ~ bit12：共 9 位，用来寻址 page，即在 PT 中索引 PTE 值。
bit11 ~ bit0：共 12 位，代表在 4Kbyte 页面空间中 offset 值，即：在 page 中具体定位。
4.3.2、 大页面：4M page
在 CR4.PSE 置为 1 时，将开启 4M page，但在具体由相应的 page-translation tables 的属性来决定哪个是 4M pages，哪个是 4K pages。
4M page 意味着，线性地址的低 22 位是 page offset 值，32 位地址空间中有 1K (1024）个 pages。
那么：32 位 linear address 将为分成两个部分：
bit31 ~ bit22：用来直接寻址 PT（page tables），在 PDT 中索引 PDE
bit21 ~ bit0：代表在 4M 页面空间中的 offset 值，即在 page 中具体定位。
术语：
LA = linear addess
PA = physcial address
PML4T = pages map level4 tables
PML4E = PML4T‘s entry
PDPT = pages directory pointer tables
PDPE = PDPT‘s entry
PDT = pages directory tables
PDE = PDT‘s entry
PT = pages tables
PTE = PT‘s entry
PAE = physcial address extension
PSE = page size extension
一、x86 下的 paging
1、 CR4.PAE = 0 && CR4.PSE = 0
其 paging 过程如下：
PDT（CR3）---> PDE（PT）---> PTE（pages）---> physical address
如以下 linear address 0x81b3a6de：
1000000110 1100111010 011011011110 = 0x81b3a6de （linear address）
-----------
(PDE index) (PTE index) (offset)
2、 CR4.PAE = 0 && CR4.PSE = 1
其 paging 过程如下：
PDT（CR3）---> PDE（PT）---------------> PTE（pages）---> PA（page + offset）
| PDE.PS = 0 (4K pages）
|
+--------------------------------------> PA（page + offset）
PDE.PS = 1（4M pages）
线性地址会被分割 4 个组成部分
1000000110 1100111010 011011011110 = 0x81b3a6de （linear address）
------------
PDE index (PTE index) (offset)
|
|
|
+-----------> PDE.PS = 1 时，跳过 PT，直接获取 page
PDE.PS = 0 时，接下来的10位，用来在 PT 中索引 PTE。
这里情况稍有些复杂 PDE.PS 是大小页的开关（4M page / 4K pages）
(1) 4M page：有 22 位是 offset，高 10 是 PDE index （即：4M 的 offset 空间）
(2) 4K page：有 12 位是 offset（即：4K 的 offset 空间）
3、 CR4.PAE = 1 （CR4.PSE 忽略）
PDPT（CR3）---> PDPE（PDT）---> PDE（PT）-------> PTE（pages）------> PA（page + offset）
| PDE.PS = 0（4K pages）
|
+---------------------------------------> PA（page + offset）
PDE.PS = 1（2M pages）
10 000001101 100111010 011011011110 = 0x81b3a6de （linear address）
-- (PDE index) (PTE index） (offset）
| |
| |
| +---------> PDE.PS = 1 时：跳过 PT，直接获取 page
| PDE.PS = 0 时：接下来 9 位，用来在 PT 中索引 PTE
PDPE index
在开启 PAE 时，情况更复杂一些 PDE.PS 这个开关用来选择（2M page / 4K page）
(1) 2M page： 有 21 位的 offset（即：2M 空间的 offset ）
(2) 4K page： 有 12 位的 offset （即：4K 空间的 offset）
二、 x64 下的 paging（PAE = 1）
PML4T（CR3）
|
+---> PML4E（PDPT）---> PDPE（PDT）---> PDE（PT）-------> PTE（pages）------> PA（page + offset）
| | PDE.PS = 0 (4k pages）
| |
| +------------------------------------> PA
| PDE.PS = 1 (2M pages）
|
+------------------------------------------------------> PA
PDPE.PS = 1 （1G pages）
x64 下的 paging 是更复杂的。在 AMD 实现 1G page 时达到最复杂状态
线性地址 0xfffff80002bc7c36 如下：
11111111 11111111 111110000 000000000 000010101 111000111 1100 00110110
------------------- (PML4 index) (PDPE index) (PDE index) (PTE index) ( offset )
（未实现）
| |
| |
| +---------> PDE.PS 进一步决定 4K / 2M page
|
|
+--------> PDPE.PS = 1 开启 1G 页，直接获取 page
PDPE.PS = 0 由 PDE.PS 进一步决定 4K / 2M page
x64 只实现了 48 位的虚拟地址，因此高 16 位是符号扩展。但是：这样子在以后也很容易进行扩展。
实现全 64 位的虚拟地址是很容易的。
AMD 的处理器上可以有 3 种大小的 page 共存：4K page / 2M page / 1G page
Intel 的处理器上未实现 1G page，只能有 4K page / 2M page
每一项 index 是 9 位
1G page： 有 30 位 offset 值，也就是 page 内有 1G 的 offset 空间
理解了 4K / 2M / 4M / 1G page 的含义，paging 也就不难了
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