Linux arm64的虚拟内存布局

原创翻译，转载请注明出处。

页表转换
arm64在硬件体系结构上支持4级的每页大小为4K的页表转换，也支持3级的页大小64KB的页表转换。
在linux arm64中，如果页的大小为4KB，使用3级页表转换或者4级页表转换，用户空间和内核空间都支持有39bit（512GB）或者48bit（256TB）大小的虚拟地址空间。
如果页的大小为64KB，就只有2级页表转换，支持42bit（4TB）大小的虚拟地址，用户空间和内核空间也大小一样。

地址分布
虚拟地址都用64位无符号数表示。
用户虚拟地址从高位的63到低位的48都是0，内核虚拟地址则相反，63~48都是1. TTBR x（Translation table base register）的选择是通过虚拟地址的第63 bit位来确定的。swapper_pg_dir只包含内核地址映射，而用户

pgd 只包含用户地址映射，swapper_pg_dir 指向的地址只会写入到 TTBR1，绝不会写入到TTBR0。

AArch64 Linux memory layout with 4KB pages + 3 levels:

Start            End            Size        Use
-----------------------------------------------------------------------
0000000000000000    0000007fffffffff     512GB        user
ffffff8000000000    ffffffffffffffff     512GB        kernel

AArch64 Linux memory layout with 4KB pages + 4 levels:

Start            End            Size        Use
-----------------------------------------------------------------------
0000000000000000    0000ffffffffffff     256TB        user
ffff000000000000    ffffffffffffffff     256TB        kernel

AArch64 Linux memory layout with 64KB pages + 2 levels:

Start            End            Size        Use
-----------------------------------------------------------------------
0000000000000000    000003ffffffffff       4TB        user
fffffc0000000000    ffffffffffffffff       4TB        kernel

AArch64 Linux memory layout with 64KB pages + 3 levels:

Start            End            Size        Use
-----------------------------------------------------------------------
0000000000000000    0000ffffffffffff     256TB        user
ffff000000000000    ffffffffffffffff     256TB        kernel

想看内核虚拟地址布局的详细情况，可以通过观察内核boot日志。

Translation table lookup with 4KB pages:
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63    56|55    48|47    40|39    32|31    24|23    16|15     8|7      0|
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|                 |         |         |         |         |
|                 |         |         |         |         v
|                 |         |         |         |   [11:0]  in-page offset

|                 |         |         |         +-> [20:12] L3 index

|                 |         |         +-----------> [29:21] L2 index

|                 |         +---------------------> [38:30] L1 index

|                 +-------------------------------> [47:39] L0 index
 +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1

Translation table lookup with 64KB pages:
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63    56|55    48|47    40|39    32|31    24|23    16|15     8|7      0|

+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|                 |    |               |              |
|                 |    |               |              v

|                 |    |               |            [15:0]  in-page offset

|                 |    |               +----------> [28:16] L3 index

|                 |    +--------------------------> [41:29] L2 index

|                 +-------------------------------> [47:42] L1 index
 +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1

当使用kvm时，虚拟机管理器（hypervisor）内核页表映射在EL2（CPU异常级别），通过对内核虚拟地址固定的偏移来确定（高24位内核虚拟地址设置为0）：

Start            End            Size        Use
-----------------------------------------------------------------------
0000004000000000    0000007fffffffff     256GB        kernel objects mapped in HYP