页表中有效/无效位的硬件支持

Question

在阅读需求分页时，我可以看到几个来源（例如http://www.expertsmind.com/questions/name-the-hardware-to-support-demand-paging-30176232.aspx）提到我们需要硬件支持页表中每个条目的有效/无效位。但是，我无法理解硬件支持会是什么样子。据我了解，

1. 页表本身是一个基于软件的结构，即它有 4 字节/8 字节（取决于寻址方案/架构等）条目，这些条目存在于 RAM 中。
2. 有效/无效位与用于页表每个条目的 4 字节/8 字节是分开的，因此它不像页表条目的 4 字节，我们使用 31 位来存储有效/无效位的帧号和 1 位。

总而言之，我的问题是 - 有效/无效位的硬件支持是什么样的？如果它可能因实现/架构而异，您能否分享任何特定实现的细节？

Answer 1

1. 页表本身是一个基于软件的结构，即它有 4 字节/8 字节（取决于寻址方案/架构等）条目，这些条目存在于 RAM 中。

这是可能的，一些罕见的 CPU 就是这种情况（当它们收到“TLB/翻译后备缓冲区未命中”时，它们只会要求操作系统进行翻译）。

但是；对于大多数 CPU，页表是 CPU 本身直接使用的数据结构，软件（内核）必须以 CPU 可以理解的格式提供数据。对于这些情况，CPU 所需的页表条目格式通常具有用于各种目的的多个位，包括“有效/无效”（和“访问/未访问”，以及读/写/可执行权限，以及用户/主管权限，以及...）。

1. 有效/无效位与页表每个条目使用的 4 字节/8 字节是分开的，因此它不像页表条目的 4 字节，我们使用 31 位来存储有效/无效位的帧号和 1 位。

页表条目（有效时）不需要存储整个物理地址，因为页的地址必须与页的开头对齐（因此可以假定最低位为零而不是存储）。例如。如果页面为 4 KiB（“页面偏移量”为 12 位）且物理地址为 32 位；那么页表条目中的物理地址只需要 20 位（并且物理地址的最低 12 位可以“假定为零”），并且对于 32 位页表条目，这 12 位可以用于其他事情（ “有效/无效”，...）。

还有一些“不太规则”的格式，其中一些最高位被重新用于其他用途。例如，您可能有 64 位页表条目，其中最高 4 位用于其他用途，然后中间 48 位用于物理地址（没有“假定为零”的低位），然后最低 12 位是用于其他用途。

总而言之，我的问题是 - 有效/无效位的硬件支持是什么样的？

因为每种不同类型的 CPU 都不同；查找页表条目格式的最佳位置是 CPU 制造商手册。您可以在此处的图表中找到一个常见示例（对于 32 位 80x86）：https://wiki.osdev.org/Paging#Page_Table

请注意，英特尔将其称为“存在/不存在”标志（标记为 P），它是页表条目中的最低位。