4. 页表创建与填充：页表描述符格式、块/页描述符、属性域(AP/XN/PXN)

页表是 MMU 实现虚拟地址到物理地址转换的核心数据结构。ARMv8-A 架构采用多级页表（通常为 3 级或 4 级），每一级页表中的条目称为页表描述符。描述符不仅包含物理地址映射信息，还携带了内存属性、访问权限和执行控制等关键字段。本章将深入解析描述符格式、块/页描述符的区别以及 AP/XN/PXN 属性域的配置方法。

4.1 页表描述符通用格式

ARMv8-A 的页表描述符为 64 位宽。根据描述符类型，其格式略有不同，但高位通常用于存储物理地址（或下一级页表的基地址），低位用于定义属性。下表列出了 Level 0 到 Level 3 描述符的通用字段布局。

4.2 块描述符与页描述符

块描述符和页描述符是 MMU 映射的两种粒度。块描述符用于大块连续内存映射（如 2MB 或 1GB），页描述符用于标准 4KB 页面映射。选择哪种描述符直接影响 TLB 利用率和映射灵活性。

4.3 属性域详解：AP、XN、PXN

属性域是描述符中控制访问权限和执行权限的关键字段。错误配置这些属性是导致内核崩溃（如 Unable to handle kernel paging request）或安全漏洞的常见原因。

4.3.1 AP (Access Permission) 访问权限位

AP 字段位于描述符的 [7:6] 位，控制 EL1（内核）和 EL0（用户）的读写权限。ARMv8-A 定义了四种 AP 组合：

4.3.2 XN (Execute Never) 不可执行位

XN 位位于描述符的第 54 位。当 XN = 1 时，该内存区域禁止执行任何指令。这是实现 NX (No-Execute) 保护的核心机制。

• XN = 0： 允许从该内存区域取指执行。
• XN = 1： 禁止从该内存区域取指执行。任何尝试跳转到该区域执行指令的行为都会触发 Instruction Abort 异常。

在驱动开发中，以下场景必须设置 XN = 1：

• 数据缓冲区（如 DMA 描述符环、数据 payload 区域）
• 设备 MMIO 寄存器区域
• 栈和堆区域（用户空间已默认设置）

4.3.3 PXN (Privileged Execute Never) 特权不可执行位

PXN 位位于描述符的第 53 位。PXN 是 XN 的增强版本，专门限制特权级（EL1）的执行权限。

• PXN = 0： 允许内核（EL1）从该区域执行代码。
• PXN = 1： 禁止内核（EL1）从该区域执行代码。用户空间（EL0）的执行权限由 XN 位控制。

4.4 页表填充流程与代码示例

以下代码展示了在 Linux 内核中，如何手动创建和填充一个 Level 2 块描述符，用于映射一个 2MB 的 DMA 缓冲区。该示例使用 pgprot_t 和 set_pte_at 等内核 API，但为了展示底层描述符操作，我们直接操作描述符值。

/*
 * 示例：手动构建一个 Level 2 块描述符
 * 映射物理地址 0xFC000000 → 虚拟地址 0xFFFF8000FC000000
 * 属性：内核读写，不可执行，非缓存（设备内存）
 */
#include <linux/mm.h>
#include <asm/pgtable.h>

#define BLOCK_DESC_TYPE      (0x1UL << 0)  /* Block descriptor type = 10b */
#define BLOCK_DESC_AF        (0x1UL << 10) /* Access Flag */
#define BLOCK_DESC_AP_RW_EL1 (0x0UL << 6)  /* AP=00: EL1 R/W, EL0 no access */
#define BLOCK_DESC_XN        (0x1UL << 54) /* Execute Never */
#define BLOCK_DESC_NG        (0x1UL << 11) /* Not Global */

static void create_block_descriptor(void)
{
    phys_addr_t phys = 0xFC000000;
    unsigned long virt = 0xFFFF8000FC000000;
    unsigned long desc;

    /* 构建描述符值 */
    desc = phys;                              /* 物理地址高位 */
    desc |= BLOCK_DESC_TYPE;                  /* 标记为块描述符 */
    desc |= BLOCK_DESC_AF;                    /* 设置 Access Flag */
    desc |= BLOCK_DESC_AP_RW_EL1;             /* 内核读写 */
    desc |= BLOCK_DESC_XN;                    /* 不可执行 */
    desc |= BLOCK_DESC_NG;                    /* 非全局（仅当前进程） */

    /* 获取页表项指针并写入 */
    pgd_t *pgd = pgd_offset(current->mm, virt);
    p4d_t *p4d = p4d_offset(pgd, virt);
    pud_t *pud = pud_offset(p4d, virt);
    pmd_t *pmd = pmd_offset(pud, virt);

    /* 写入块描述符到 PMD 条目 */
    set_pmd(pmd, __pmd(desc));

    /* 刷新 TLB */
    flush_tlb_kernel_range(virt, virt + SZ_2M);

    pr_info("Block descriptor created: PA=0x%llx VA=0x%lx desc=0x%lx\n",
            phys, virt, desc);
}

4.5 属性域配置检查清单

在配置页表描述符时，建议按照以下清单逐项检查属性域，避免遗漏：

1. AP 权限： 确认该内存区域是否允许用户空间访问。DMA 缓冲区通常设置为 AP=00（仅内核）。
2. XN 位： 数据区域必须设置 XN=1。代码区域根据需求设置。
3. PXN 位： 用户空间映射必须设置 PXN=1，防止内核执行用户代码。
4. AF (Access Flag)： 必须设置为 1，否则首次访问会触发 Access Flag Fault。
5. nG (Not Global)： 进程私有映射设置 nG=1；内核全局映射（如 vmalloc）设置 nG=0。
6. AttrIndx： 指向 MAIR 寄存器中定义的缓存策略索引（如 Normal、Device-nGnRE）。