Documentation/mm/page_tables.rst

   1 .. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
   2
   3 ===========
   4 Page Tables
   5 ===========
   6
   7 Paged virtual memory was invented along with virtual memory as a concept in
   8 1962 on the Ferranti Atlas Computer which was the first computer with paged
   9 virtual memory. The feature migrated to newer computers and became a de facto
  10 feature of all Unix-like systems as time went by. In 1985 the feature was
  11 included in the Intel 80386, which was the CPU Linux 1.0 was developed on.
  12
  13 Page tables map virtual addresses as seen by the CPU into physical addresses
  14 as seen on the external memory bus.
  15
  16 Linux defines page tables as a hierarchy which is currently five levels in
  17 height. The architecture code for each supported architecture will then
  18 map this to the restrictions of the hardware.
  19
  20 The physical address corresponding to the virtual address is often referenced
  21 by the underlying physical page frame. The **page frame number** or **pfn**
  22 is the physical address of the page (as seen on the external memory bus)
  23 divided by `PAGE_SIZE`.
  24
  25 Physical memory address 0 will be *pfn 0* and the highest pfn will be
  26 the last page of physical memory the external address bus of the CPU can
  27 address.
  28
  29 With a page granularity of 4KB and a address range of 32 bits, pfn 0 is at
  30 address 0x00000000, pfn 1 is at address 0x00001000, pfn 2 is at 0x00002000
  31 and so on until we reach pfn 0xfffff at 0xfffff000. With 16KB pages pfs are
  32 at 0x00004000, 0x00008000 ... 0xffffc000 and pfn goes from 0 to 0x3fffff.
  33
  34 As you can see, with 4KB pages the page base address uses bits 12-31 of the
  35 address, and this is why `PAGE_SHIFT` in this case is defined as 12 and
  36 `PAGE_SIZE` is usually defined in terms of the page shift as `(1 << PAGE_SHIFT)`
  37
  38 Over time a deeper hierarchy has been developed in response to increasing memory
  39 sizes. When Linux was created, 4KB pages and a single page table called
  40 `swapper_pg_dir` with 1024 entries was used, covering 4MB which coincided with
  41 the fact that Torvald's first computer had 4MB of physical memory. Entries in
  42 this single table were referred to as *PTE*:s - page table entries.
  43
  44 The software page table hierarchy reflects the fact that page table hardware has
  45 become hierarchical and that in turn is done to save page table memory and
  46 speed up mapping.
  47
  48 One could of course imagine a single, linear page table with enormous amounts
  49 of entries, breaking down the whole memory into single pages. Such a page table
  50 would be very sparse, because large portions of the virtual memory usually
  51 remains unused. By using hierarchical page tables large holes in the virtual
  52 address space does not waste valuable page table memory, because it will suffice
  53 to mark large areas as unmapped at a higher level in the page table hierarchy.
  54
  55 Additionally, on modern CPUs, a higher level page table entry can point directly
  56 to a physical memory range, which allows mapping a contiguous range of several
  57 megabytes or even gigabytes in a single high-level page table entry, taking
  58 shortcuts in mapping virtual memory to physical memory: there is no need to
  59 traverse deeper in the hierarchy when you find a large mapped range like this.
  60
  61 The page table hierarchy has now developed into this::
  62
  63   +-----+
  64   | PGD |
  65   +-----+
  66      |
  67      |   +-----+
  68      +-->| P4D |
  69          +-----+
  70             |
  71             |   +-----+
  72             +-->| PUD |
  73                 +-----+
  74                    |
  75                    |   +-----+
  76                    +-->| PMD |
  77                        +-----+
  78                           |
  79                           |   +-----+
  80                           +-->| PTE |
  81                               +-----+
  82
  83
  84 Symbols on the different levels of the page table hierarchy have the following
  85 meaning beginning from the bottom:
  86
  87 - **pte**, `pte_t`, `pteval_t` = **Page Table Entry** - mentioned earlier.
  88   The *pte* is an array of `PTRS_PER_PTE` elements of the `pteval_t` type, each
  89   mapping a single page of virtual memory to a single page of physical memory.
  90   The architecture defines the size and contents of `pteval_t`.
  91
  92   A typical example is that the `pteval_t` is a 32- or 64-bit value with the
  93   upper bits being a **pfn** (page frame number), and the lower bits being some
  94   architecture-specific bits such as memory protection.
  95
  96   The **entry** part of the name is a bit confusing because while in Linux 1.0
  97   this did refer to a single page table entry in the single top level page
  98   table, it was retrofitted to be an array of mapping elements when two-level
  99   page tables were first introduced, so the *pte* is the lowermost page
 100   *table*, not a page table *entry*.
 101
 102 - **pmd**, `pmd_t`, `pmdval_t` = **Page Middle Directory**, the hierarchy right
 103   above the *pte*, with `PTRS_PER_PMD` references to the *pte*:s.
 104
 105 - **pud**, `pud_t`, `pudval_t` = **Page Upper Directory** was introduced after
 106   the other levels to handle 4-level page tables. It is potentially unused,
 107   or *folded* as we will discuss later.
 108
 109 - **p4d**, `p4d_t`, `p4dval_t` = **Page Level 4 Directory** was introduced to
 110   handle 5-level page tables after the *pud* was introduced. Now it was clear
 111   that we needed to replace *pgd*, *pmd*, *pud* etc with a figure indicating the
 112   directory level and that we cannot go on with ad hoc names any more. This
 113   is only used on systems which actually have 5 levels of page tables, otherwise
 114   it is folded.
 115
 116 - **pgd**, `pgd_t`, `pgdval_t` = **Page Global Directory** - the Linux kernel
 117   main page table handling the PGD for the kernel memory is still found in
 118   `swapper_pg_dir`, but each userspace process in the system also has its own
 119   memory context and thus its own *pgd*, found in `struct mm_struct` which
 120   in turn is referenced to in each `struct task_struct`. So tasks have memory
 121   context in the form of a `struct mm_struct` and this in turn has a
 122   `struct pgt_t *pgd` pointer to the corresponding page global directory.
 123
 124 To repeat: each level in the page table hierarchy is a *array of pointers*, so
 125 the **pgd** contains `PTRS_PER_PGD` pointers to the next level below, **p4d**
 126 contains `PTRS_PER_P4D` pointers to **pud** items and so on. The number of
 127 pointers on each level is architecture-defined.::
 128
 129         PMD
 130   --> +-----+           PTE
 131       | ptr |-------> +-----+
 132       | ptr |-        | ptr |-------> PAGE
 133       | ptr | \       | ptr |
 134       | ptr |  \        ...
 135       | ... |   \
 136       | ptr |    \         PTE
 137       +-----+     +----> +-----+
 138                          | ptr |-------> PAGE
 139                          | ptr |
 140                            ...
 141
 142
 143 Page Table Folding
 144 ==================
 145
 146 If the architecture does not use all the page table levels, they can be *folded*
 147 which means skipped, and all operations performed on page tables will be
 148 compile-time augmented to just skip a level when accessing the next lower
 149 level.
 150
 151 Page table handling code that wishes to be architecture-neutral, such as the
 152 virtual memory manager, will need to be written so that it traverses all of the
 153 currently five levels. This style should also be preferred for
 154 architecture-specific code, so as to be robust to future changes.