一、ARM32系统页表映射
1. 层级结构与地址划分
默认实现：采用两层映射（PGD→PTE），合并Linux标准三级模型中的PMD层。
虚拟地址解析（以4KB页为例）：
Bits[31:20]：一级页表（PGD）索引，定位页目录项（PDE）。
Bits[19:12]：二级页表（PTE）索引，定位页表项。
Bits[11:0]：页内偏移量。
特殊模式：
段映射（1MB段）：单层映射，虚拟地址高12位直接定位段表项，生成物理段基地址。
大页映射（64KB页）：减少页表层级，提升转换效率。
2. 关键硬件机制
TTBR寄存器：存储一级页表（PGD）的物理基地址。
MMU工作流程：
a.从TTBR获取PGD基地址。
b.根据虚拟地址高12位定位PDE。
c.若PDE指向PTE，则继续解析PTE；若直接映射段，则生成物理地址。
页表存储：
PGD：固定16KB大小（4096项×4B），需16KB对齐（如0xc0004000）。
PTE：动态分配，每项4B，描述4KB物理页基地址和权限。
3. 内核实现特点
双套页表：Linux维护独立于硬件的页表项，与ARM32硬件页表紧邻存储。
低端内存优化：前896MB物理内存采用线性映射（__va(phys) = phys + PAGE_OFFSET）。
二、ARM64系统页表映射
1. 层级结构与地址划分
默认实现：采用四级映射（PGD→PUD→PMD→PTE），支持48位虚拟地址（可扩展至52位）。
虚拟地址解析（4KB页为例）：
Bits[47:39]：PGD索引。
Bits[38:30]：PUD索引。
Bits[29:21]：PMD索引。
Bits[20:12]：PTE索引。
Bits[11:0]：页内偏移量。
大页支持：
2MB大页：合并PMD→PTE，直接通过PMD项映射。
1GB大页：合并PUD→PMD→PTE，直接通过PUD项映射。
2. 关键硬件机制
TTBR0/TTBR1：
TTBR0：用户空间页表基地址（进程独立）。
TTBR1：内核空间页表基地址（全局共享）。
MMU工作流程：
根据当前模式（用户/内核）选择TTBR0或TTBR1。
逐级解析PGD→PUD→PMD→PTE，生成物理地址。
页表动态分配：所有层级页表（包括PGD）均由伙伴系统动态分配，无固定物理地址。
3. 内核实现特点
灵活配置：支持4KB/16KB/64KB页大小（通过CONFIG_ARM64_PAGESIZE配置）。
线性映射区：内核虚拟地址ffff000000000000~ffff7fffffffffff映射所有物理内存，类似ARM32的low memory。
TLB优化：通过连续大页减少TLB未命中率。
三、ARM32与ARM64对比总结
特性 ARM32 ARM64
映射层级 2层（PGD→PTE），支持段映射 4层（PGD→PUD→PMD→PTE），支持动态合并层级
页表存储 PGD固定地址，PTE动态分配 全部页表动态分配
地址空间 32位虚拟地址（4GB） 48/52位虚拟地址（256TB/4PB）
大页支持 1MB段或64KB页 2MB/1GB大页
内核映射优化 低端内存线性映射（896MB） 线性映射区覆盖全部物理内存
寄存器机制 单TTBR寄存器（内核与用户共用） 双TTBR寄存器（TTBR0用户/TTBR1内核）
四、典型场景案例
ARM32设备寄存器映射
static struct map_desc io_desc __initdata = {
.virtual = 0xF0000000, // 虚拟地址
.pfn = __phys_to_pfn(0x10000000), // 物理地址页帧号
.length = SZ_1M, // 映射长度1MB
.type = MT_DEVICE // 设备内存属性
};
iotable_init(&io_desc, 1); // 建立页表映射
ARM64大页内存分配
# 挂载2MB大页文件系统
mount -t hugetlbfs -o pagesize=2M none /mnt/huge
# 应用程序通过mmap申请大页
addr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
五、调试与监控工具
查看页表物理地址：
# ARM32查看PGD基址
arm-none-eabi-readelf -a vmlinux | grep swapper_pg_dir
# ARM64查看进程PGD
cat /proc/$(pidof process)/arch_status | grep TTBR0
监控页表内存占用：
grep PageTables /proc/meminfo # 显示总页表物理内存占用
通过上述机制，ARM32和ARM64在兼容性与性能之间取得平衡，满足从嵌入式设备到数据中心服务器的多样化需求。