Linux内核内存管理 ARM32页表映射流程和案例分享

ARM32架构使用两级页表结构将虚拟地址转换为物理地址，以下为详细流程及案例分析：

ARM32页表映射流程

 

1.获取页目录基地址

MMU通过TTBR（Translation Table Base Register）寄存器获取当前进程的一级页表（L1页表，即页目录）基地址。

 

2.解析虚拟地址结构

虚拟地址（VA）被划分为三部分（以4KB页为例）：

 

Bits[31:20]：一级页表索引（L1 Index），定位页目录项（PDE）。

Bits[19:12]：二级页表索引（L2 Index），定位页表项（PTE）。

Bits[11:0]：页内偏移（Offset），用于最终物理地址计算。

 

3.一级页表查询

 

计算页目录项地址：L1_Addr = TTBR_Base + L1_Index * 4

读取页目录项（PDE）。若PDE指向二级页表（L2页表），则继续；若指向1MB大页，直接计算物理地址。

 

4.二级页表查询

 

从PDE中获取二级页表基地址（L2_Base）。

计算页表项地址：L2_Addr = L2_Base + L2_Index * 4

读取页表项（PTE），获取物理页基地址（Physical Page Base）。

 

5.合成物理地址

 

物理地址 = (Physical_Page_Base << 12) + Offset

 

6.权限与异常检查

 

MMU检查AP（访问权限）、XN（执行权限）等属性位，若违反则触发缺页异常（Page Fault）。

 

 

案例分析：虚拟地址0x2000映射到物理地址0x3000

假设条件

页目录基地址（TTBR）：0x80000000

二级页表基地址：0x90000000

页大小：4KB

虚拟地址：0x00002000（目标映射到物理地址0x3000）

步骤分解

1.虚拟地址划分

 

VA = 0x00002000 → 二进制：0000 0000 0000 0000 0010 0000 0000 0000

L1 Index (Bits[31:20])：0x000 → 索引0

L2 Index (Bits[19:12])：0x02 → 索引2

Offset (Bits[11:0])：0x000

 

2.一级页表查询

 

PDE地址 = 0x80000000 + 0 * 4 = 0x80000000

PDE内容：0x90000003（L2基地址=0x90000000，属性位0x3表示有效且可读写）。

 

3.二级页表查询

 

PTE地址 = 0x90000000 + 2 * 4 = 0x90000008

PTE内容：0x00003003（物理页基地址高20位=0x3，属性位0x3）。

物理页基地址 = 0x3 << 12 = 0x3000。

 

4.合成物理地址

 

物理地址 = 0x3000 + 0x000 = 0x3000。

 

关键点

地址对齐：物理页基地址必须按页大小对齐（如4KB对齐时，低12位为0）。

 

属性位：页表项的低12位存储权限（AP）、缓存策略（C/B）、执行权限（XN）等。

 

TLB加速：首次转换后，结果缓存至TLB，后续访问无需遍历页表。

 

异常处理：非法访问或权限错误会触发缺页异常，由操作系统处理。

 

流程图

 

虚拟地址0x00002000

    │

    ├─L1 Index=0 → PDE地址0x80000000 → 指向L2基地址0x90000000  

    │

    ├─L2 Index=2 → PTE地址0x90000008 → 物理页基地址0x3000  

    │

    └─Offset=0 → 物理地址0x3000

 

通过上述流程，ARM32 MMU高效完成虚拟地址到物理地址的转换，同时确保内存访问的安全性与灵活性。