PAE 分页模式详解

2016-11-18

记得之前看windows内核原理与实现的时候，在内存管理部分，看到涉及到PAE模式的部分，提到此模式下可以让系统在虚拟地址还是32位宽的情况下，支持64GB的物理内存或者更多。当时就没怎么想明白，今天突然想起就结合intel手册仔细研读了一番，但是手册所讲主要是其寻址过程以及各级页表和entry的结构，对如何支持这一说还真没有提到。于是乎，google、上论坛等等，初步对其有了认识，难免让人失望，因为其着实没有我想的那么玄乎，下面还是分享下：

---

PAE模式是基于分页模式的，如果CR.PG=1,CR4.PAE=1,则表示PAE模式被启用。

根据手册介绍，PAE模式下，一个32位的线性地址（虚拟地址）被翻译成一个52位的物理地址，这句话才是整个PAE模式的精髓。52是最大支持的位数，所以按照PAE的思想，其实不只可以支持64GB，还可以更多。至于这个限制，而为何要限制于64GB，这点恐怕又和PAE的工作模式相关。

PAE模式如何支持大于32GB的物理内存？

---

PAE模式下，系统中的进程任意时刻还是只能访问4GB的地址空间，这是虚拟地址宽度所限，但是考虑到一般的页表项结构，低12位做各种标志，高20位作为物理页框号，这样满打满算也就可以定位2^20=1M个物理页面，也就是在普通模式下无论如何最高只能支持4GB物理内存。

PAE模式下就不同了，其稍微改变了下页表结构，把一个32位的虚拟地址分成4个部分：
0-11：页内偏移

12-20：页表（Page Table）

21-29：页表目录表（Page Table Directory）

30-31：页目录指针表（Page Directory Pointer Table）

可以看到，这里PAE的分页把页表项做成了8个字节，即64Bit,除去低12位做标志，还有52位可以用作寻址物理页框，这正是PAE模式的核心。

细心的人可能会发现，即使如此，虚拟地址一共就32位，你2^2*2^9*2^9*4KB仍然是4GB 呀，怎么说就支持大于4GB的呢？没错，这也正是我开始疑惑的地方。但是人家根本没把思想放在这方面，这也正是前面提到任意时刻，一个进程最高只能使用4GB的原因。重要的在于操作系统是多任务的，如果是在普通模式下，我现在有8GB的物理内存，而当前系统运行5个进程和系统进程，如果每个进程当前都需要1GB的物理内存，则在此模式下使行不通的，这6个进程只能平分8GB中的4GB，其他的只能通过不停的换入换出来实现。

而在支持PAE模式的情况下就不同了，上面6个进程均可分到1GB物理内存，并且在需要的时候还可以增加。这就是PAE带来的好处。

话说说到这里，可能还有人不明白。分页机制中有个重要的概念就是物理页框号，页表能够层层递进正是在页表项中记录了物理页框号。物理页框号可是全局的，即在整个系统中不会有重复的物理页框。在普通模式下，只有20位用于物理页框号，那么最高也就是支持2^20=1M个页，即4GB物理内存。其他的有再多的内存寻址不到啊！

在PAE模式下，使用36根地址线，最大可以索引到64GB的物理内存。由于页表项中有52位可以作为页框号，所以其可以定位更多的物理页框。即使碍于虚拟地址宽度所限，一个进程只能访问4GB空间，但是放大格局。站在系统的角度，则是在其他的进程需要的时候，可以减少换出内存的次数，这是后备力量的加强！！

说到这里应该说的比较明白了，下面看PAE工作模式：

---

说到PAE的工作模式，其实本质上和普通的页表没什么区别，仍然是一级一级寻址而已，只是在具体寻址方法上有了细微的差别。

PAE模式下的不同之处：

1、CR3的值。PAE模式下，CR3存储的是页目录指针表的地址，页目录指针表是32字节对齐的，其大小为32字节，所以此模式下的CR3结构如下：

其中每个表项是8个字节，共有四个表项，每个表项对应1GB的内存空间。对应于这四个表项，处理器为每个表项维护一个寄存器称为PDPTE0，PDPTE1，PDPTE2，PDPTE3。处理器在适当的时候从

页目录指针表中加载值到这些寄存器，在访问的时候使用寄存器来访问，也减少了一次内存访问哈！具体的时机如下：

1、PAE模式被启用时。

2、进程任务切换时，即CR3的值改变的时候。

3、在VMX模式转换的时候（虚拟化相关），本质上还是CR3值的变化。

所以此模式下，虽然CR3的作用依然如故，但是在寻址的时候可以直接利用PDPTE寄存器来定位具体的页目录了。PDPTE结构如下：

最下面的的M表示的是是实际的物理地址位宽，假如说是64GB即36位，那么M=36。通过12~（M-1）可以定位一个具体的物理页框。

根据虚拟地址的21-29位作为偏移定位一个页目录页表项，表项的第7位（从0开始）表明该表项是指向一个页表还是一个2MB 的页。

当表项指向一个2M的页时，具体表项结构如下：

当表项指向一个页表时，结构如下:

而具体的地址翻译过程，看下图：

参考：

　　1、intel手册

　　2、stackOverflow论坛