3. 单级页表原理：线性页表结构、页表基址寄存器、地址转换过程

单级页表（也称线性页表）是分页机制最基础的实现形式。它将虚拟地址空间划分为固定大小的页，物理内存划分为相同大小的页框，通过一个线性数组——页表——建立虚拟页号到物理页框号的映射。理解单级页表是掌握多级页表、倒排页表等复杂结构的前提。

3.1 线性页表结构

线性页表本质上是一个存储在物理内存中的一维数组。数组的每个元素称为页表项（PTE, Page Table Entry），其下标对应虚拟页号（VPN），存储的值包含物理页框号（PPN）及权限位、存在位等控制信息。

3.2 页表基址寄存器（PTBR）

页表基址寄存器（Page Table Base Register）是 MMU 进行地址转换的起点。每个进程拥有独立的页表，进程切换时操作系统会更新 PTBR 指向新进程的页表。在 x86 架构中，PTBR 对应 CR3 寄存器；在 ARM 中对应 TTBR0/TTBR1。

PTBR 的典型工作流程：

1. 进程创建：操作系统在物理内存中分配页表空间，将页表基址写入 PTBR。
2. 进程切换：调度器将新进程的页表基址加载到 PTBR，同时刷新 TLB。
3. 地址转换：MMU 每次访问内存时，从 PTBR 获取页表基址，结合 VPN 计算 PTE 地址。

3.3 地址转换过程

单级页表的地址转换分为三个核心步骤：拆分虚拟地址、查找页表项、拼接物理地址。以下以 32 位系统、4 KB 页大小为例说明。

3.3.1 虚拟地址拆分

32 位虚拟地址被拆分为两部分：

• 高 20 位：虚拟页号（VPN），作为页表数组的索引。
• 低 12 位：页内偏移（Offset），直接作为物理地址的低 12 位。

虚拟地址（32 位）: 0x12345678
二进制拆分:
  VPN (20 位) = 0x12345
  Offset (12 位) = 0x678
页表项地址 = PTBR + VPN × PTE_SIZE
           = PTBR + 0x12345 × 4
           = PTBR + 0x48D14

3.3.2 页表项查找与物理地址拼接

MMU 从 PTBR 出发，以 VPN 为索引读取 PTE。若 PTE 的存在位为 1，则提取其中的物理页框号（PPN），与页内偏移拼接得到完整物理地址。

物理地址 = PPN × 页大小 + Offset
         = PPN × 4096 + Offset
         = (PPN << 12) | Offset

3.4 单级页表地址转换流程图

3.5 单级页表的局限与改进方向