4. x86架构页表层级：32位PAE模式下的三级结构

在32位PAE（Physical Address Extension）模式下，x86架构将传统的二级页表扩展为三级页表结构，以支持最大64GB的物理内存寻址。PAE模式通过引入页目录指针表（PDPT）作为顶层，配合页目录（PD）和页表（PT），实现了对36位物理地址的映射。本节将深入剖析这三级的组成、索引方式及权限控制机制。

4.1 三级页表结构总览

下图展示了32位PAE模式下线性地址到物理地址的完整转换路径。CPU通过CR3寄存器定位PDPT基址，经过三级查表最终获得物理页框号（PFN）。

4.2 三级页表的索引与寻址机制

32位线性地址在PAE模式下被分解为4个字段，每个字段对应一级页表的索引或页内偏移。下表详细列出了各字段的位宽、作用及寻址范围。

4.3 页目录指针表（PDPT）结构

PDPT是PAE模式引入的顶层页表结构，位于物理内存中，其基址由CR3寄存器的高27位指定（32位模式下CR3的低5位被忽略，因为PDPT必须32字节对齐）。PDPT包含4个64位的条目（PDPTE），每个条目指向一个页目录（PD）。

4.4 页目录（PD）与页表（PT）结构

页目录（PD）和页表（PT）在PAE模式下均包含512个64位条目。PD中的每个条目（PDE）指向一个页表（PT），而PT中的每个条目（PTE）指向一个4KB物理页框。两者的条目格式高度相似，但PDE支持2MB大页映射（当PS位=1时）。

4.5 64位PTE的权限控制字段

PAE模式下，每个PTE扩展为64位，新增了多个权限控制位。下表列出了关键权限字段及其作用。

4.6 地址转换完整流程

以下步骤描述了CPU在PAE模式下如何将线性地址转换为物理地址：

1. 读取CR3：CPU从CR3寄存器获取PDPT的物理基址（32字节对齐）。
2. 查询PDPT：使用线性地址[31:30]作为索引，从PDPT中读取对应的PDPTE。检查PDPTE的P位，若为0则触发缺页异常。
3. 查询PD：从PDPTE中提取PD基址（位[35:12]），使用线性地址[29:21]作为索引读取PDE。检查PDE的P位和PS位：
   • 若PS=0：继续步骤4。
   • 若PS=1：PDE直接映射2MB大页，物理地址 = (PDE[31:21] << 21) | 线性地址[20:0]。
4. 查询PT：从PDE中提取PT基址（位[35:12]），使用线性地址[20:12]作为索引读取PTE。检查PTE的P位。
5. 组合物理地址：物理地址 = (PTE[35:12] << 12) | 线性地址[11:0]。
6. 权限检查：CPU根据PTE的R/W、U/S位以及当前CPL进行访问权限校验，不匹配则触发#GP异常。

4.7 权限控制与保护机制

PAE模式下的权限检查在每一级页表查询时都会执行，但最终的有效权限由PDE和PTE的权限字段取交集决定。以下是权限组合规则：

• U/S位：若PDE或PTE中任一U/S=0，则该页为超级用户页（仅内核可访问）。只有两级U/S均为1时，用户态才可访问。
• R/W位：若PDE或PTE中任一R/W=0，则该页为只读页。只有两级R/W均为1时，页才可写。
• NX位（执行禁用）：在支持XD/NX的CPU上，PTE的位63作为执行禁用位。置1时该页不可执行代码，用于防止缓冲区溢出攻击。

4.8 典型配置示例

以下代码片段展示了如何在C语言中定义PAE页表项结构体，并初始化一个简单的页表映射：

/* PAE模式页表项结构定义（64位） */
typedef struct {
    uint64_t present    : 1;  /* 位0: 存在位 */
    uint64_t rw         : 1;  /* 位1: 读写 */
    uint64_t us         : 1;  /* 位2: 用户/超级用户 */
    uint64_t pwt        : 1;  /* 位3: 写透 */
    uint64_t pcd        : 1;  /* 位4: 缓存禁用 */
    uint64_t accessed   : 1;  /* 位5: 访问位 */
    uint64_t dirty      : 1;  /* 位6: 脏位（仅PTE） */
    uint64_t ps_or_pat  : 1;  /* 位7: PDE大页/PTE PAT */
    uint64_t global     : 1;  /* 位8: 全局页 */
    uint64_t avail      : 3;  /* 位[11:9]: 软件可用 */
    uint64_t pfn        : 24; /* 位[35:12]: 物理页框号 */
    uint64_t reserved   : 28; /* 位[63:36]: 保留 */
} __attribute__((packed)) pae_pte_t;

/* 初始化一个用户态可读写页表条目 */
void init_user_rw_pte(pae_pte_t *pte, uint64_t phys_addr) {
    pte->present = 1;
    pte->rw      = 1;  /* 可读写 */
    pte->us      = 1;  /* 用户态可访问 */
    pte->pwt     = 0;
    pte->pcd     = 0;
    pte->accessed= 0;
    pte->dirty   = 0;
    pte->ps_or_pat=0;
    pte->global  = 0;
    pte->avail   = 0;
    pte->pfn     = (phys_addr >> 12) & 0xFFFFFF;
    pte->reserved= 0;
}