64位Linux下的地址映射

之前写过，32位Linux虚拟地址映射，讨论了在CPU 80386下的虚拟地址映射。

看过博主的《Linux内核在x86_64 CPU中地址映射》，对32位和64位下地址映射的区别做了一些总结。

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1. x86_64CPU中逻辑地址（段式）映射

    x86_64段式地址过程和x86一致，即各段起始地址都是0，区别在于段大小不再是4G。

    在 x86-64 下，处理器默认 CS， DS， ES， SS的段基址为 0，所以下面就不讨论逻辑地址到线性地址的转换了，因为基址为0，经过运算后线性地址和逻辑地址是一样的。

    分页过程会将 48-bit 的线性地址转换为 52-bit 的物理地址, 可以看出虽然是 64bit 的操作系统但在处理器层面并没有提供 2^64 大小的访问范围。48-bit 线性地址可以有以下 3 种映射分配

2.x86_64CPU中线性地址（页式）映射

具体分析如下：

（1）线性地址是48位

    x86_64线性地址不是64bit，物理地址也不是64位，Intel当前CPU最高物理地址是52bit,但实际支持的物理内存地址总线宽度是40bit。

        x86CPU仅支持64位虚拟地址中的48位。对于用户模式地址，64位中的虚拟地址高16位的地址总被设置为0x0；对于内核模式地址，总被设置为0xF.

为什么64位虚拟地址只能使用48位呢？

        由于x86_64处理器硬件限制。x86_64处理器地址线只有48条，故而导致硬件要求传入的地址48位到63位地址必须相同。最初AMD规定，只有虚拟地址的最低48位才会在地址转换（页表查询）时被使用。48位地址空间在AMD推出64位时是非常大的，即使对于现在来说也基本够用。48位的虚拟地址转换成物理地址需要4级页表。

（2）页面映射分为4级

    4K页面下， 48位线性地址分为5段，位宽度分别是9、9、9、12。映射的方法为页表查找。

    即可管理的地址空间为2^48 = 256T。而在32地址模式下，该值仅为2^32 = 4G。

    另外64位地址时支持的物理内存最大为64T；而在32位地址时最大支持的物理内存为64G（开启PAE选项）。

（3）CR3寄存器保存最高一级表的起始物理地址

（4）每个表项的大小为8字节

长模式（IA32-e模式）

    x86-64兼容CPU可以运行在多种模式之下，除了熟悉的实模式，保护模式，还有长模式等，在长模式下，处理器完全执行64位指令，使用64位地址空间（物理内存的寻址能力却没有被完全扩展到64位，因为目前的众多CPU在其寿命期限之内都没有机会见识到如此巨大的内存）和64操作数。因此，为了降低制造成本，目前的CPU被限制在略少于64位寻址。

• 长模式下cpu屏蔽了段机制，简化了应用程序的内存管理，提高了单个寄存器的运算位数，并引入了一系列的新指令集和前缀(比如rex)，使得合理优化过的64位程序比32位程序效率要高一些。
• 长模式下引入了rip相对寻址机制，使得“位置无关代码”的实现更容易而且更快。

注：x86_64下HIGHMEM是没有定义的，用户空间默认从高端内存分配所需内存，虽然x86_64没有高端内存也没有关系，内核设计了适当的回退机制，用户空间一样可以在低端内存分配内存，只不过需要二次映射，浪费一点效率。

而在32位下虚拟地址空间的内核空间中，存在ZONE_HIGH（高端内存），用于Linux在32位系统下映射高于1G的内存，这块区域一般为128M大小。

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参考资料：

X86/X64处理器体系结构及寻址模式

Linux内核在x86_64 CPU中地址映射