请教老师关于32位PAE-4KB分页最大寻址内存的问题

Unis

Intel文档说32位PAE分页最大支持52位的物理地址，也就是最大寻址4PB内存。

我按基础的4KB分页推导PAE-4KB分页，发现需要有 2^22 个页目录（如图），而PAE-4KB分页结构只有 4 个页目录。

那么虽然PAE-4KB分页可以生成 52 位的物理地址，可以访问 4PB 内存中的任意位置，但是最大能够使用的内存远达不到 4PB。



想了好久想不明白，请教老师，我的分析哪里错了？

站长

不是这么计算的。
物理地址扩展的原因：32位处理器只能访问最大4GB物理内存。如果进程数量太多，物理内存不够用。
扩展到36～52根地址线，可以访问更大的物理内存。

在PAE之前，每个任务（进程）有4GB虚拟内存空间，而且所有任务（进程）争用4GB物理内存。
PAE之后，虽然每个任务（进程）还是只能访问4GB虚拟内存，但是这个虚拟内存却可以映射到高于4GB以上的物理内存空间里。

PAE分页方式只有页目录表和页表是不够的，还增加了页目录指针表。

PAE分页方式比较复杂，在我的视频课程《X64架构的汇编语言和操作系统基础》里用了5课时讲的。这套课程在网易云课堂，是可以试看的（第14～18课时），链接为：
X64架构汇编语言和操作系统基础 - 网易云课堂 (163.com)

Unis

站长 发表于 2023-12-28 21:50
不是这么计算的。
物理地址扩展的原因：32位处理器只能访问最大4GB物理内存。如果进程数量太多，物理内存不 ...

老师我还是不太明白，您的X64汇编视频关于PAE分页的讲解，我也看过，可能我没有把问题描述清楚。

32位PAE-4KB分页，或者是2-9-9-12分页，页目录指针表使用线性地址的两个二进制位，那么能够定位4个页目录。

1 个页目录项对应 1 个页表，1 个页表包含 2^9 个页表项，对应 2^9 个物理页；
1 个页目录包含 2^9 个目录项，则可以找到 2^9 * 2^9 = 2^18 个物理页；
4 个页目录可以找到 4 * 2^18 = 2^22 个物理页，那么可寻址 2^22 * 2^12 = 2^34 = 16GB。

所以有了我一开始的问题，从最大4PB内存出发，像基础的4KB分页那样推导分页结构，发现需要有2^22个页目录才能寻址全部4PB内存，那么页目录指针项只有4个是不够的。

换一个说法，现在抛开任务可用内存不谈，假定按照2-9-9-12分页定义全部页表项，每一个页表项中的物理页基地址部分都不同，那么最终是访问不了全部的4PB内存的，按照上面的计算只能访问16GB的内存。

还是说，PAE分页并不在乎是否能够寻址全部内存，只是为了能够访问大于0xFFFFFFFF的地址空间，所以把页表项等扩展到8字节呢？

谢谢老师。

站长

Unis 发表于 2023-12-29 10:35
老师我还是不太明白，您的X64汇编视频关于PAE分页的讲解，我也看过，可能我没有把问题描述清楚。

32位PA ...

是你没有理解32位PAE的本质和初衷。
在32位处理器上，线性地址始终是32位的，所以进程（任务）始终只能访问4GB虚拟内存或者物理内存，不存在什么可以访问4PB之说。甚至连16GB也是不可能的。
所以32位PAE不是为了解决单个任务（进程）可以访问的内存。每个任务（进程）还是4GB。但是，在PAE之前，每个任务的4GB都映射到4GB物理内存，所有任务（进程）争用4GB物理内存；PAE之后，物理内存变得巨大，虽然每个任务（进程）还是只能访问4GB虚拟内存，但是这个虚拟内存却可以映射到高于4GB以上的物理内存空间里。有效避免争用物理内存空间。

举个例子，在PAE之前，只有一辆自行车，你和朋友们轮换骑（4GB虚拟空间只能映射到4GB物理内存）。PAE之后，有100辆自行车，虽然你一次还是只能骑一辆，但是却可以随便选（4GB虚拟内存空间可以映射到52位物理地址空间中的任何位置）。

站长

Unis 发表于 2023-12-29 10:35
老师我还是不太明白，您的X64汇编视频关于PAE分页的讲解，我也看过，可能我没有把问题描述清楚。

32位PA ...

还有另一个问题，你这个算法有问题。32位线性地址能映射16GB，这是不可能的。无论采用几级映射也不可能，采用何种映射都只能是2^32字节，即4GB。

站长

即使是采用三级分页，2位页目录指针表索引，9位页目录表索引，9位页表索引，12位页内偏移，一共是2^2个页目录表；2^2*2^9个页表；2^9*2^9*2^9，共计2^20个物理页。每物理页2^12字节，共计4GB。还是那句话，32位线性地址无论如何映射，都是4GB。

最本质的是，通常来说，每个进程都有自己的一套分页系统表，而不是共享一个分页系统表。如果是共享同一个分页系统表，那PAE就没有任何意义。

Unis

站长 发表于 2023-12-30 09:59
即使是采用三级分页，2位页目录指针表索引，9位页目录表索引，9位页表索引，12位页内偏移，一共是2^2个页目 ...

感谢老师的解答，基本上明白了，因为我还没看任务和特权级的章节，就先想了解一下分页了，所以还是少了些基础，并且还犯了 4*2^18=2^22 这种低级错误。

再次感谢！