Paging Structure in Linux

為了符合各種架構的處理器(包含 64bit 處理器)，Linux 所採用的架構是 4-level paging architecture。架構圖如下：


四層架構分別為：

• Page Global Directory
• Page Upper Directory
• Page Middle Directory
• Page Table

當處理器是 32bit 而且 PAE disabled 的情況下，PUD 和 PMD 是不使用的。

Paging Implementation in Linux Kernel

接下來要看 Linux Kernel 內部關於 Paging 的實作方式。

• Kernel Version: 2.6.17
• Arch: i386

首先，來看看 page 在Linux Kernel中的定義。

/linux/include/asm-i386/page.h：
#ifdef CONFIG_X86_PAE
typedef struct { unsigned long pte_low, pte_high; } pte_t;
typedef struct { unsigned long long pmd; } pmd_t;
typedef struct { unsigned long long pgd; } pgd_t;
typedef struct { unsigned long long pgprot; } pgprot_t;
#define HPAGE_SHIFT 21
#else
typedef struct { unsigned long pte_low; } pte_t;
typedef struct { unsigned long pgd; } pgd_t;
typedef struct { unsigned long pgprot; } pgprot_t;
#define HPAGE_SHIFT 22

在這裡我們可以看到 page entry 和 page directory 的定義。特別要注意的是 pgprot_t，它所代表的含意是「the protection flags associated with a single entry」。至於HPAGE_SHIFT指的是當採用大 Page 時的 Page Size（在PAE enable的情況下，大 Page 的 Size 為 21 bits也就是每一個 Page 為 2MB）。

至於那些 Flag 所代表的意義，定義在 /linux/include/asm-i386/pgtable.h。（可以對照之前的文章「IA32 Paging Architecture」）

上面提到Linux內使用了 4-level 的 paging 架構，但從上面的程式碼，很容易發現就算啟用了PAE，也不過是 3-level 的架構，那要怎麼辦呢？事實上，Linux採用4-level的模型也不過是從 2.6.11才開始的（之前是3-level）。為了解決這個問題，在/linux/include/asm-generic的目錄底下，有4level-fixup.h 和 pgtable-nopud.h 這兩個檔案，可以幫助原有的程式碼相容於新版的核心（兩個檔案選一個用即可，不過對新的架構來說，如果本來在設計上就有使用 PUD 的話，那就不必要使用這兩個檔案了）。