PSE页面大小扩展和PAE物理地址扩展

传统的IA32架构

IA32架构就是英特尔32位体系架构，从80386开始采用。32位的处理机，32位的地址总线，用两级页表去管理物理内存：

也就是说第一级是页目录，第二级是页表，通过页表中的记录去查找物理页框。顺序是这样的：

①首先，进程去查找CR3(3号控制寄存器，即PDBR 页目录基址寄存器)，这里记录了这个进程对应的页目录首地址。

这里要注意一些事：

第一，进程寻址前会把自己的页目录首地址放进CR3里，对于早期的Linux而言，做法是不同的进程都使用一样的页目录首地址，即只有一张页目录。

第二，因为页目录的大小是4KB，为了方便管理，页目录表总是放在以4KB为单位的存储器边界上，所以CR3的后12位(2^12=4K)不起作用(都认为是0)，只有前20位是有效的。另外对于刚刚说的早期Linux，做法是这张唯一的页目录就放在存储器的前4K位置。

②查找完CR3后，得到了后12位全0的32位页目录起始地址，这时候就找到本进程对应的页目录表了。

③页目录表一共4KB，里面每条记录都是32位地址即4B长的，所以一共有1K=1024条记录，每条记录对应着一个页表起始地址。因为每张页表也是4KB大小，所以页目录的每条记录只有高20位影响了页表起始地址，但这时后面的12位大多也是有作用的，而不能忽视掉。

其中低8位用作控制，为控制位。

④拿到页目录表后，里面有1024条记录，这时需要用线性地址(逻辑地址->物理地址转换时中间的页式地址)的高10位来选择这其中的一项。

⑤选择到这一项后，根据其前20位的值，后拼12个0即找到了32位的页表起始地址。

⑥每张页表一共4KB，里面每条记录都是32位地址即4B长的，所以一共有1K=1024条记录，每条记录对应着一个物理页面首地址，即页框的首地址。因为每张页表也是4KB大小，所以页目录的每条记录只有高20位影响了页表起始地址。

⑦拿到页表后，里面有1024条记录，这时需要用线性地址的中10位来选择这其中的一项。

⑧这时候用这条记录的前20位，拼上12位0，即是物理页框的首地址，页内寻址用线性地址的低12位。即这条记录的前20位拼上线性地址的低12位即是真实要找的物理地址。

图上的紫色箭头表示这个查表阶段要去看线性地址的哪一部分。还有这个系列的网上找的图，比较清楚：

一般PSE页面大小扩展

很多时候4KB的页不太够用，因为前面一张页目录上有1024条记录，对应1024张页表，每个页表4KB，比较直观的想法就是把这1024个4KB聚合到一起，直接使用页目录去寻物理页框首地址。

这时页目录表只用高10位，因为页框是4MB这么大的。

而线性地址中的后22位用来页内寻址。

注意：PSE需要奔腾以上的CPU，而且需要CR4(另外的控制寄存器)的第4位即PSE位为1，页目录项的第7位即PS位为1。下面是网上找的CR4的结构图：

PSE-36

因特尔处理器发展到奔腾PRO(i586开始叫奔腾，奔腾PRO是686级的CPU)时，为了能使用更大的物理内存，把ABUS从32位扩展到了36位，但处理机还是32位的，线性地址还是32位的，PSE-36是解决这个地址映射问题的一条途径。

传统的PSE只使用了10位高位页目录表记录，后面拼22位低位线性地址，寻址即32位。现在要36位，而页目录表还有很多位可以用呢，所以只要使用14位高位页目录表记录，后面拼22位低位线性地址就可以了。

PAE物理地址扩展

刚刚学到的PSE-36确实可以解决奔腾PRO的问题，但是这种方式太暴力了，页框始终是4MB大小的，这样页框太大会造成碎片浪费严重。PAE从另一个角度思考这个问题。

如果要用之前的4KB页框，也就是不使用PSE的情况，这时候页目录项和页表项都是前20位有效，剩下12位有8位是做控制的，还有1位必须是0(第8号位)，即还剩下3位可分配，这20位加上这3位也就是物理页框首地址可以是这23位后面拼12个0，页内寻址时用线性地址后12位去替代这后12个0，也就是最多能寻23+12=35位还是差一位，自然的想法就是为了让物理页地址更长，也就是让页表记录的长度变长。

可以看到，页目录和页表都变成了每条记录64位，这样物理页面首地址就有更多的位可以分配了，如24位首地址+12位线性地址中的偏移量=36位地址。

这里要注意一些事：

第一，页目录表和页表仍然是4KB大小，所以宽度宽了1倍，表中记录数就减半成了512条。

第二，512条只需要9个二进制位，所以线性地址中用来索引页目录表和页表的部分都缩减成了9位，多出来了2位在线性地址最高2位，索引4条记录的页目录指针表，而CR3中存的也变成了这个表的首地址，现在看来是三级页表了！

第三，在PAE中的页目录项新拿出一位设置成了标志位，为最高位(63号位)NX位。

第四，页表项没有设置NX位，则理论上可以使用前64-12=52位，寻址空间非常大，这还是在没有考虑后面拼接低位线性地址的情况下。

PAE混用PSE

不仅把页目录表记录长度加倍成64位，而且如果其中第7位PS位为1，做PSE页面大小扩展，即不作下一层的页表，直接拿剩下的32-2-9=21位低线性地址做页内寻址。这是有意义的，因为之前4KB到4MB跳跃太大了，4MB可能是个过大的页框大小，这里21位页内地址则页框只是2MB！是比较折衷的一个大小。

查看Linux下是否支持PAE

在Linux内核编译时PAE是可选的，不过多数Linux都支持了PAE。我用学校机房的Ubuntu看了一下，先看看boot目录：

在这两个配置文件下都有，随便打开一个看下：

可以从开头的注释知道，是内核配置文件，往下翻找一下：

果然PAE是打开的。