ARM32页表和Linux页表那些奇葩的地方

ARM32硬件页表中PGD页目录项PGD是从20位开始的，但是为何头文件定义是从21位开始？

历史原因：Linux最初是基于x86的体系结构设计的，因此Linux内核很多的头文件的定义都是基于x86的，特别是关于PTE页表项里面的很多比特位的定义。因此ARM在移植到Linux时只能参考x86版本的Linux内核的实现。

X86的PGD是从bit22 ~ bit31，总共10bit位，1024页表项。PT页表从bit12 ~ bit 21 ，总共 10 bit位，1024页表项。

ARM的PGD是从bit20 ~ bit31，总共12bit， 4096页表项。PT域从bit12 ~ bit 19，总共8bit，2556页表项。

X86和ARM页表最大的差异在于PTE页表内容的不同。

Linux内核版本的PTE比特位的定义

/*
 * "Linux" PTE definitions for LPAE.
 *
 * These bits overlap with the hardware bits but the naming is preserved for
 * consistency with the classic page table format.
 */
#define L_PTE_VALID  (_AT(pteval_t, 1) << 0)  /* Valid */
#define L_PTE_PRESENT  (_AT(pteval_t, 3) << 0)  /* Present */
#define L_PTE_USER  (_AT(pteval_t, 1) << 6)  /* AP[1] */
#define L_PTE_SHARED  (_AT(pteval_t, 3) << 8)  /* SH[1:0], inner shareable */
#define L_PTE_YOUNG  (_AT(pteval_t, 1) << 10) /* AF */
#define L_PTE_XN  (_AT(pteval_t, 1) << 54) /* XN */
#define L_PTE_DIRTY  (_AT(pteval_t, 1) << 55)
#define L_PTE_SPECIAL  (_AT(pteval_t, 1) << 56)
#define L_PTE_NONE  (_AT(pteval_t, 1) << 57) /* PROT_NONE */
#define L_PTE_RDONLY  (_AT(pteval_t, 1) << 58) /* READ ONLY */

#define L_PMD_SECT_VALID (_AT(pmdval_t, 1) << 0)
#define L_PMD_SECT_DIRTY (_AT(pmdval_t, 1) << 55)
#define L_PMD_SECT_NONE  (_AT(pmdval_t, 1) << 57)
#define L_PMD_SECT_RDONLY (_AT(pteval_t, 1) << 58)

ARM32的PTE比特位的定义

/*
 *   - extended small page/tiny page
 */
#define PTE_EXT_XN  (_AT(pteval_t, 1) << 0)  /* v6 */
#define PTE_EXT_AP_MASK  (_AT(pteval_t, 3) << 4)
#define PTE_EXT_AP0  (_AT(pteval_t, 1) << 4)
#define PTE_EXT_AP1  (_AT(pteval_t, 2) << 4)
#define PTE_EXT_AP_UNO_SRO (_AT(pteval_t, 0) << 4)
#define PTE_EXT_AP_UNO_SRW (PTE_EXT_AP0)
#define PTE_EXT_AP_URO_SRW (PTE_EXT_AP1)
#define PTE_EXT_AP_URW_SRW (PTE_EXT_AP1|PTE_EXT_AP0)
#define PTE_EXT_TEX(x)  (_AT(pteval_t, (x)) << 6) /* v5 */
#define PTE_EXT_APX  (_AT(pteval_t, 1) << 9)  /* v6 */
#define PTE_EXT_COHERENT (_AT(pteval_t, 1) << 9)  /* XScale3 */
#define PTE_EXT_SHARED  (_AT(pteval_t, 1) << 10) /* v6 */
#define PTE_EXT_NG  (_AT(pteval_t, 1) << 11) /* v6 */

那X86和ARM的页表差距这么大，软件怎么设计呢？Linux内核的内存管理已经适配了X86的页表项，我们可以通过软件适配的办法来解决这个问题。因此，ARM公司在移植该方案时提出了两套页表的方案。一套页表是为了迎合ARM硬件的真实页表，另一套页表是为了迎合Linux真实的页表。

对于PTE页表来说，一下子就多出了一套页表，一套页表256表项，每个表项占用4字节。为了软件实现的方便，软件会把两个页表合并成一个页表。4套页表正好占用256 * 4 * 4 = 4K的空间。因此，Linux实现的时候，就分配了一个page 来存放这些页表。

这一套方案的话，相当于每个PGD页表项有8字节，包含指向两套PTE页表项的entry。每4个字节指向一个物理的二级页表。