3. CR3 控制寄存器：分页的“根”与进程切换的“锚点”

CR3 控制寄存器是 x86_64 架构中分页机制的核心寄存器，它保存了当前地址空间页表层次结构的物理基地址。在 Linux 内核中，CR3 的切换直接对应进程的切换——每次切换进程，内核都会加载新进程的 CR3 值，从而将 CPU 的虚拟地址翻译环境切换到新进程的页表。

3.1 CR3 寄存器的位定义

在 x86_64 长模式下，CR3 寄存器的格式与传统的 32 位模式有显著不同。其位定义如下表所示：

3.2 PML4 基址：四级页表的根节点

CR3 中存储的物理地址指向 PML4 (Page Map Level 4) 表的起始位置。PML4 表是 x86_64 四级页表层次结构的顶层，每个表项 (PML4E) 指向下一级页目录指针表 (PDPT)。

下图展示了 CR3 如何作为根节点连接整个页表层次结构：

3.3 CR3 在进程切换中的作用

在 Linux 内核中，进程切换的核心操作之一就是 切换 CR3 寄存器。每个进程拥有独立的地址空间，即独立的页表层次结构。当调度器决定从进程 A 切换到进程 B 时，必须执行以下关键步骤：

1. 保存当前进程上下文：将当前 CPU 寄存器状态（包括 CR3）保存到进程 A 的 task_struct 中。
2. 加载新进程页表基址：从进程 B 的 task_struct 中读取其 PML4 物理基址，写入 CR3 寄存器。
3. TLB 刷新：CR3 写入操作会触发硬件自动刷新整个 TLB（Translation Lookaside Buffer），清除所有缓存的地址翻译条目。
4. 恢复新进程上下文：加载进程 B 的其他寄存器状态，继续执行。

下图展示了 CR3 切换在进程上下文切换中的位置：

3.4 Linux 内核中的 CR3 操作代码

在 Linux 内核源码中，CR3 的读写操作通过内联汇编实现。以下是关键代码片段：

// arch/x86/include/asm/special_insns.h

// 读取 CR3 寄存器
static inline unsigned long read_cr3(void)
{
    unsigned long val;
    asm volatile("mov %%cr3, %0\n\t" : "=r" (val) : : "memory");
    return val;
}

// 写入 CR3 寄存器（触发 TLB 刷新）
static inline void write_cr3(unsigned long val)
{
    asm volatile("mov %0, %%cr3\n\t" : : "r" (val) : "memory");
}

在进程切换的核心函数 switch_mm_irqs_off() 中，CR3 的写入逻辑如下：

// arch/x86/mm/tlb.c

void switch_mm_irqs_off(struct mm_struct *prev, struct mm_struct *next,
                        struct task_struct *tsk)
{
    // ... 省略其他逻辑 ...

    // 加载新进程的页表基址
    write_cr3(__pa(next->pgd));

    // 如果硬件支持 PCID，设置 CR3 的 PCID 位
    // 否则，CR3 写入会刷新所有 TLB 条目
}

3.5 CR3 切换的硬件行为总结

下表总结了 CR3 切换时硬件自动执行的操作及其影响：