Linux中的虚拟地址转换物理地址实现

Linux中的虚拟地址转换物理地址实现

Linux使用一种4级页表机制，即页全局目录(Page Global Directory)、页上级目录(Page Upper Directory)、页中间目录(Page Middle Directory)和页表(Page Table)。在这种分页机制下.

一个完整的线性地址被分为五部分：页全局目录、页上级目录、页中间目录、页表和偏移量，但是对于每个部分所占的位数则是不定的，这跟系统所在的体系架构有关。

###Linux分别采用pgd_t、pud_t 、pmd_t和pte_t四种数据结构来表示页全局目录项、页上级目录项、页中间目录项和页表项。这四种数据结构本质上都是无符号长整型，Linux为了更严格数据类型检查，将无符号长整型分别封装成四种不同的页表项。

static void get_pgtable_macro(void)
{
    printk("PAGE_OFFSET = 0x%lx\n", PAGE_OFFSET);
    printk("PGDIR_SHIFT = %d\n", PGDIR_SHIFT);
    printk("PUD_SHIFT = %d\n", PUD_SHIFT);
    printk("PMD_SHIFT = %d\n", PMD_SHIFT);
    printk("PAGE_SHIFT = %d\n", PAGE_SHIFT);
 
    printk("PTRS_PER_PGD = %d\n", PTRS_PER_PGD);
    printk("PTRS_PER_PUD = %d\n", PTRS_PER_PUD);
    printk("PTRS_PER_PMD = %d\n", PTRS_PER_PMD);
    printk("PTRS_PER_PTE = %d\n", PTRS_PER_PTE);
 
    printk("PAGE_MASK = 0x%lx\n", PAGE_MASK);
}
 
static unsigned long vaddr2paddr(unsigned long vaddr)
{
    pgd_t *pgd;
    pud_t *pud;
    pmd_t *pmd;
    pte_t *pte;
    unsigned long paddr = 0;
        unsigned long page_addr = 0;
    unsigned long page_offset = 0;
 
    pgd = pgd_offset(current->mm, vaddr);
    printk("pgd_val = 0x%lx\n", pgd_val(*pgd));
    printk("pgd_index = %lu\n", pgd_index(vaddr));
    if (pgd_none(*pgd)) {
        printk("not mapped in pgd\n");
        return -1;
    }
 
    pud = pud_offset(pgd, vaddr);
    printk("pud_val = 0x%lx\n", pud_val(*pud));
    if (pud_none(*pud)) {
        printk("not mapped in pud\n");
        return -1;
    }
 
    pmd = pmd_offset(pud, vaddr);
    printk("pmd_val = 0x%lx\n", pmd_val(*pmd));
    printk("pmd_index = %lu\n", pmd_index(vaddr));
    if (pmd_none(*pmd)) {
        printk("not mapped in pmd\n");
        return -1;
    }
 
    pte = pte_offset_kernel(pmd, vaddr);
    printk("pte_val = 0x%lx\n", pte_val(*pte));
    printk("pte_index = %lu\n", pte_index(vaddr));
    if (pte_none(*pte)) {
        printk("not mapped in pte\n");
        return -1;
    }
 
    //页框物理地址机制 | 偏移量
    page_addr = pte_val(*pte) & PAGE_MASK;
    page_offset = vaddr & ~PAGE_MASK;
    paddr = page_addr | page_offset;
    printk("page_addr = %lx, page_offset = %lx\n", page_addr, page_offset);
        printk("vaddr = %lx, paddr = %lx\n", vaddr, paddr);
 
    return paddr;
}

通过代码我们发现线性地址寻值过程：pgd_t -> pud_t ->pmd_t -> pte_t

具体Dmesg打印信息:

dmesg.log

目前在X86_64环境下，虽然支持64位，但是系统实际上目前远远使用不了如此大的内存，真正使用的只有48位，即

0xffff000000000000

然后使用上面的宏函数进行移位操作，拼接出下一级的页表物理基地址。然后再和后面的pud，pmd，pte部分地址相加，得到下一级的物理基地址。直到最后拿到页框的物理地址与pte或，找到真实的物理地址。

参考：

arch/x86/include/asm/pgtable_64_types.h