Memória virtual e page tables x86-64¶

Tradução de endereços¶

Memória virtual insere tradução entre endereços usados por software e endereços físicos.

Uma instrução acessa endereço virtual V. A CPU consulta estruturas selecionadas por CR3 e obtém endereço físico P com permissões ou gera fault.

Tradução de páginas com TLB — A tradução consulta primeiro o TLB e, em miss, percorre as page tables.

Quatro níveis¶

Para páginas de 4 KiB no esquema convencional:

63                         48 47    39 38    30 29    21 20    12 11      0
+----------------------------+--------+--------+--------+--------+----------+
| extensão canônica          | PML4   | PDPT   | PD     | PT     | offset   |
+----------------------------+--------+--------+--------+--------+----------+

Cada entrada aponta para o próximo nível e contém flags. O PTE final identifica a frame física.

CR3¶

CR3 seleciona a raiz da tradução atual. Trocar CR3 é, portanto, operação fundamental de isolamento. mm_switch escreve a raiz física escolhida.

Entradas¶

PTE combina endereço físico alinhado e flags: present, writable, user/supervisor, NX quando disponível e outros estados definidos pela arquitetura.

Construção¶

Mapear uma página pode exigir criar PML4/PDPT/PD/PT intermediários. mm_map_cr3 percorre a hierarquia e aloca tabelas ausentes via PMM, criando dependência MM → PMM.

Falha no meio precisa preservar ownership claro e retornar erro.

Kernel high-half compartilhado¶

Address space de processo pode ter região de usuário privada e mappings altos do kernel compartilhados. Isso evita replicar estruturas e permite entrada controlada no kernel.

O compartilhamento cria obrigação de sincronização quando mappings de kernel mudam.

Tradução explícita¶

mm_translate permite verificar mapping e recuperar endereço físico/flags sem tocar cegamente o endereço. User-copy utiliza esse tipo de mecanismo para validar ponteiros.

Page fault¶

Fault ocorre quando tradução não atende o acesso: mapping ausente, write proibida, violação de privilégio ou outra regra. CR2 recebe o endereço linear e o frame de exceção fornece contexto.

Mapping não é alocação¶

PMM: "esta frame pertence a alguém"
MM : "este endereço virtual referencia aquela frame com estas permissões"

Separar os conceitos permite aliases e evita double-free.

Concorrência¶

Page tables são estruturas compartilhadas protegidas pelo MM lock. Unmap possui um problema adicional: outra CPU pode manter tradução antiga no TLB mesmo depois da alteração em memória. Correção exige coerência de TLB.