3、页表基础概念：页框（Page Frame）、页表项（PTE）、页表层级（L0/L1/L2/L3）、页面大小（4K/16K/64K）

页表是操作系统实现虚拟地址到物理地址转换的核心数据结构。在 ARM64 Linux 内核中，页表的设计直接决定了内存管理的效率、TLB 的命中率以及进程隔离的安全性。本节将深入剖析页框、页表项、页表层级与页面大小这四个基础概念，为后续理解地址转换全流程打下坚实基础。

3.1 页框（Page Frame）——物理内存的最小管理单元

页框（Page Frame，也称物理页）是物理内存被划分成的固定大小的连续块。操作系统以页框为单位管理物理内存，每个页框都有一个唯一的编号——页框号（PFN，Page Frame Number）。

• 页框 vs 页面：页面（Page）指虚拟地址空间中的一块连续区域，而页框指物理内存中的一块连续区域。页框是物理概念，页面是虚拟概念。
• 大小一致：页面与页框的大小必须相同，通常为 4KB、16KB 或 64KB（ARM64 支持）。
• 分配与回收：内核通过伙伴系统（Buddy System）管理页框的分配与释放，每个页框对应 struct page 结构体。

3.2 页表项（PTE）——地址转换的原子单元

页表项（PTE，Page Table Entry）是页表中的最小数据单元，每个 PTE 描述一个虚拟页面到物理页框的映射关系。在 ARM64 中，每个 PTE 固定为 8 字节（64 位）。

PTE 的核心字段

3.3 页表层级（L0/L1/L2/L3）——多级转换的骨架

ARM64 采用 4 级页表结构（L0、L1、L2、L3），以适应 48 位虚拟地址空间（未来可扩展至 52 位）。多级页表的核心优势在于：按需分配——只有实际使用的虚拟地址范围才需要分配页表页，大幅节省内存。

层级结构与索引划分

以 4KB 页面、48 位虚拟地址为例，虚拟地址被划分为 5 个部分：

| 63:48 | 47:39 (L0) | 38:30 (L1) | 29:21 (L2) | 20:12 (L3) | 11:0 (页内偏移) |
| 符号扩展 | 9 位索引  | 9 位索引   | 9 位索引   | 9 位索引   | 12 位偏移      |

• L0 级：顶级页表，覆盖 512GB 虚拟地址空间（9 位索引 × 1GB 块）。
• L1 级：第二级，覆盖 1GB 虚拟地址空间（9 位索引 × 2MB 块）。
• L2 级：第三级，覆盖 2MB 虚拟地址空间（9 位索引 × 4KB 块）。
• L3 级：最后一级，存放最终 PTE，映射 4KB 物理页框。

块映射（Block Mapping）与大页支持

ARM64 允许在 L1 或 L2 级使用块描述符（Block Descriptor）直接映射大块内存，跳过后续层级：

• L1 块：映射 1GB 连续物理内存（仅需一次页表访问）。
• L2 块：映射 2MB 连续物理内存（对应 Linux 的透明大页 THP）。

3.4 页面大小（4K / 16K / 64K）——粒度与覆盖范围的权衡

ARM64 架构支持三种页面粒度：4KB、16KB 和 64KB。页面大小直接影响页表层级数、单级覆盖范围以及 TLB 的利用效率。

三种页面粒度的对比

Linux 内核的选择

Linux 内核在 ARM64 平台上默认使用 4KB 页面，原因如下：

• 兼容性：4KB 是 x86、ARM32 等主流架构的标准页面大小，便于跨平台代码复用。
• 内存利用率：4KB 小页面减少了内部碎片（Internal Fragmentation），适合通用工作负载。
• 页表开销：虽然 4KB 需要 4 级页表，但通过按需分配，实际占用的页表内存通常远小于大页面方案。

3.5 小结：四个概念的内在联系

页框、页表项、页表层级与页面大小并非孤立概念，它们共同构成了 ARM64 地址转换的完整数据路径：

1. 页面大小决定了虚拟地址中页内偏移的位数，进而影响每级索引的位数和页表层级总数。
2. 页表层级定义了地址转换的遍历路径，每级页表由多个 PTE 组成。
3. PTE 中的输出物理地址字段指向一个 页框（或下一级页表页框）。
4. 页框是物理内存的最终落脚点，其大小必须与页面大小一致。