arm64 linux内核虚拟内存布局

linux在arm64中的内存布局

在AArch64架构的Linux内核中，内存管理的核心机制之一是虚拟地址空间的划分与页表转换。本文将基于内核文档Documentation/arch/arm64/memory.rst​，深入解析4KB页和64KB页两种模式下的内存布局差异，以及它们在ELF启动场景中的实际应用。

一、内存布局的核心设计原则

AArch64架构通过页大小和转换表级别的组合，实现灵活的虚拟地址空间配置。核心设计目标包括：

  • 用户空间与内核空间隔离：通过虚拟地址最高位TTBR0/1（63位）区分，用户空间最高位为0​​，内核空间为1​​。
  • 转换效率与地址空间平衡：小页（4KB）提供更细粒度的内存管理，大页（64KB）减少页表层级以提升转换效率。
  • 兼容性与扩展性：支持3级/4级转换表（4KB页）和2级/3级转换表（64KB页），适配不同硬件平台。

二、4KB页模式：细腻控制与超大地址空间

1. 地址空间划分

（1）3级转换表（39位虚拟地址，512GB）

  • 用户空间：0x0000000000000000 ~ 0x0000007fffffffff​（512GB）
  • 内核空间：0xffffff8000000000 ~ 0xffffffffffffffff​（512GB）

（2）4级转换表（48位虚拟地址，256TB）

  • 用户空间：0x0000000000000000 ~ 0x0000ffffffffffff​（256TB）
  • 内核空间：0xffff000000000000 ~ 0xffffffffffffffff​（256TB）

2. 转换表结构

  1. 3级表
1
2
3
4
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63-56    |55-48   |47-40   |39-32   |31-24   |23-16   |15-8    |7-0     |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| 保留   | L0索引 | L1索引 | L2索引 | 页内偏移（12位）                          |
  • L0 索引（55-48 位，8 位） ：指向页全局目录（PGD，Page Global Directory）。
  • L1 索引（47-40 位，8 位） ：指向页上级目录（PUD，Page Upper Directory）。
  • L2 索引（39-32 位，8 位） ：指向页中间目录（PMD，Page Middle Directory）。
  • 页内偏移（31-0 位，32 位中实际使用 12 位） ：定位 4KB 页内的具体地址（2^12=4KB​）。
  1. 4级表
1
2
3
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11
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63    56|55    48|47    40|39    32|31    24|23    16|15     8|7      0|
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
 |                 |         |         |         |         |
 |                 |         |         |         |         v
 |                 |         |         |         |   [11:0]  页内偏移
 |                 |         |         |         +-> [20:12] L3 索引
 |                 |         |         +-----------> [29:21] L2 索引
 |                 |         +---------------------> [38:30] L1 索引
 |                 +-------------------------------> [47:39] L0 索引
 +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1                         |

  • L0-L3索引：逐级定位页表项，最终通过12位偏移访问4KB页内数据。

  • 适用场景：适合需要超大地址空间的服务器场景（如数据库、大数据处理），或对内存碎片化敏感的应用。

3. ELF启动适配

  • 页大小标识：内核映像头部flags​字段的位1-2​标识页大小（1​表示4KB）。
  • 转换表初始化：引导程序需根据flags​配置TTBRx寄存器（TTBR1指向内核页表，TTBR0指向用户页表）。

三、64KB页模式：高效转换与简化层级

1. 地址空间划分

（1）2级转换表（42位虚拟地址，4TB）

  • 用户空间：0x0000000000000000 ~ 0x000003ffffffffff​（4TB）
  • 内核空间：0xfffffc0000000000 ~ 0xffffffffffffffff​（4TB）

（2）3级转换表（48位虚拟地址，256TB）

  • 地址范围与4KB页的4级表一致，但通过更少的转换层级实现。

2. 转换表结构

  1. 二级表

    1
    2
    3
    4
    +--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
    |63-56    |55-48   |47-40   |39-32   |31-24   |23-16   |15-8    |7-0     |
    +--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
    | 保留   | L1索引 | L2索引 | 页内偏移（16位）                          |

  • L1 索引（55-48 位，8 位） ：指向页上级目录（PUD，仅 2 级表时兼任 PGD 角色）。

  • L2 索引（47-32 位，16 位） ：直接指向页表项（PTE，Page Table Entry），包含物理页基址。

  • 页内偏移（31-0 位，32 位中实际使用 16 位） ：定位 64KB 页内的具体地址（2^16=64KB​）。

  1. 三级表
1
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3
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+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63    56|55    48|47    40|39    32|31    24|23    16|15     8|7      0|
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
 |                 |    |               |              |
 |                 |    |               |              v
 |                 |    |               |            [15:0]  页内偏移
 |                 |    |               +----------> [28:16] L3 索引
 |                 |    +--------------------------> [41:29] L2 索引
 |                 +-------------------------------> [47:42] L1 索引
 +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1
  • L1-L2索引：仅需两级转换即可定位64KB页（16位页内偏移），减少页表访问次数。
  • 适用场景：嵌入式设备或对内存访问延迟敏感的场景（如实时系统），通过大页提升TLB命中率。

3. ELF启动适配

  • 页大小标识：flags​字段位1-2​设为3​（64KB）。
  • 性能优化：因层级少，EL2（Hypervisor）映射内核页时效率更高（如KVM的固定偏移映射0x0000004000000000~0x0000007fffffffff​）。

四、核心差异对比

特性 4KB页（3级/4级表） 64KB页（2级/3级表）
虚拟地址空间 512GB（3级）/256TB（4级） 4TB（2级）/256TB（3级）
转换表层级 3/4级，复杂度高 2/3级，层级少，访问快
内存粒度 细腻（适合小内存分配） 粗犷（适合大页分配，减少页表数量）
TLB命中率 低（小页导致TLB条目多） 高（大页减少TLB缺失）
典型场景 服务器（需要超大地址空间） 嵌入式/实时系统（追求转换效率）
ELF启动配置 ​flags​页大小位设为1​（4KB） ​flags​页大小位设为3​（64KB）

五、KVM虚拟化场景的特殊映射

当使用KVM时，Hypervisor（EL2）通过固定偏移映射内核页，强制将内核虚拟地址的高24位清零，形成专属区域：

  • 映射范围：0x0000004000000000 ~ 0x0000007fffffffff​（256GB）
  • 目的：实现内核对象在Hypervisor层的直接访问，避免频繁模式切换，提升虚拟化性能。

六、总结：如何选择合适的页模式？

  1. 需求驱动：

    • 若需要256TB超大地址空间（如云计算、大规模数据处理），选择4KB页+4级表或64KB页+3级表。
    • 若追求低延迟、高TLB命中率（如嵌入式设备、实时应用），优先64KB页+2级表。

  2. ELF启动配置：
    通过内核映像头部flags​字段显式声明页大小，确保引导程序正确初始化转换表（如text_offset​计算、TTBR寄存器配置）。

  3. 兼容性考量：
    旧版内核（如v4.2前）可能对页大小有默认假设，需结合Documentation/arm64/booting.rst​验证配置。

理解AArch64内存布局的核心是掌握页大小、转换表层级与地址空间的关系，这不仅是内核启动的关键环节，更是优化系统性能、适配不同硬件平台的基础。通过合理选择页模式，可在地址空间、转换效率、内存利用率之间找到最佳平衡。

七、实例

  1. 内核配置内存页模式
1
2
3
4
5
6
7
// 4KB页+3级表（内核配置）
CONFIG_ARM64_4K_PAGES=y
CONFIG_ARM64_VA_BITS_39=y

// 64KB页+3级表（内核配置）
CONFIG_ARM64_64K_PAGES=y
CONFIG_ARM64_VA_BITS_52=y

  1. 查看当前内核页模式

    1
    2
    3
    4
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    6
    7
    # 4KB页
    $ cat /proc/meminfo | grep "PageSize"
    PageSize:       4096 kB

    # 64KB页
    $ cat /proc/meminfo | grep "PageSize"
    PageSize:       65536 kB