XV6源码阅读—

XV6源码阅读——页表

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前言
分页硬件
- 实际转换
内核地址空间

前言

一个本硕双非的小菜鸡，备战24年秋招。打算尝试6.S081，将它的Lab逐一实现，并记录期间心酸历程。
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官方网站：6.S081官方网站

分页硬件

RISC-V指令（用户和内核指令）使用的是虚拟地址，而机器的RAM或物理内存是由物理地址索引的。RISC-V页表硬件通过将每个虚拟地址映射到物理地址来为这两种地址建立联系。

xv6运行在Sv39 RISC-V上，这意味着只使用64位虚拟地址的低39位，而高25位不使用，高25位作为保留位。

在这种Sv39配置中，RISC-V页表在逻辑上是一个由 $2^{27}$ 个页表条目（Page Table Entries/PTE）组成的数组，每个PTE包含一个44位的物理页码（Physical Page Number/PPN）和一些标志。

分页硬件通过使用虚拟地址39位中的前27位索引页表，以找到该虚拟地址对应的一个PTE，然后生成一个56位的物理地址，其前44位来自PTE中的PPN，其后12位来自原始虚拟地址。

页表的逻辑视图是一个简单的PTE数组（参见图3.2进行更详细的了解）。页表使操作系统能够以 4096 ( $2^{12}$ ) 字节的对齐块的粒度控制虚拟地址到物理地址的转换，这样的块称为页（page）。
注：如果看不太懂可以去看看工大老师操作系统课程关于这部分的详解。
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实际转换

实际的转换分三个步骤进行。页表以三级的树型结构存储在物理内存中。

该树的根是一个4096字节的页表页，其中包含512个PTE，每个PTE中包含该树下一级页表页的物理地址。

这些页中的每一个PTE都包含该树最后一级的512个PTE（也就是说每个PTE占8个字节，正如图3.2最下面所描绘的）。

分页硬件使用27位中的前9位在根页表页面中选择PTE，中间9位在树的下一级页表页面中选择PTE，最后9位选择最终的PTE。

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如果转换地址所需的三个PTE中的任何一个不存在，页式硬件就会引发页面故障异常，并让内核来处理该异常。

三级结构使用了一种更节省内存的方式来记录 PTE。

因为 CPU 在执行转换时会在硬件中遍历三级结构，所以缺点是 CPU 必须从内存中加载三个 PTE 以将虚拟地址转换为物理地址。为了减少从物理内存加载 PTE 的开销，RISC-V CPU 将页表条目缓存在 Translation Look-aside Buffer (TLB) 中。

每个PTE包含标志位，这些标志位告诉分页硬件允许如何使用关联的虚拟地址。PTE_V指示PTE是否存在：如果它没有被设置，对页面的引用会导致异常（即不允许）。PTE_R控制是否允许指令读取到页面。PTE_W控制是否允许指令写入到页面。PTE_X控制CPU是否可以将页面内容解释为指令并执行它们。PTE_U控制用户模式下的指令是否被允许访问页面；如果没有设置PTE_U，PTE只能在管理模式下使用。图3.2显示了它是如何工作的。标志和所有其他与页面硬件相关的结构在（kernel/riscv.h）中定义。

为了告诉硬件使用页表，内核必须将根页表页的物理地址写入到satp寄存器中（satp的作用是存放根页表页在物理内存中的地址）。每个CPU都有自己的satp，一个CPU将使用自己的satp指向的页表转换后续指令生成的所有地址。每个CPU都有自己的satp，因此不同的CPU就可以运行不同的进程，每个进程都有自己的页表描述的私有地址空间。

通常，内核将所有物理内存映射到其页表中，以便它可以使用加载/存储指令读取和写入物理内存中的任何位置。由于页目录位于物理内存中，内核可以通过使用标准存储指令写入 PTE 的虚拟地址来对页目录中的 PTE 内容进行编程。

关于术语的一些注意事项。物理内存是指DRAM中的存储单元。物理内存以一个字节为单位划为地址，称为物理地址。指令只使用虚拟地址，分页硬件将其转换为物理地址，然后将其发送到DRAM硬件来进行读写。与物理内存和虚拟地址不同，虚拟内存不是物理对象，而是指内核提供的管理物理内存和虚拟地址的抽象和机制的集合。

内核地址空间

Xv6为每个进程维护一个页表，用以描述每个进程的用户地址空间，外加一个单独描述内核地址空间的页表。内核配置其地址空间的布局，以允许自己以可预测的虚拟地址访问物理内存和各种硬件资源。图3.3显示了这种布局如何将内核虚拟地址映射到物理地址。文件(kernel/memlayout.h) 声明了xv6内核内存布局的常量。
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QEMU模拟了一台计算机，它包括从物理地址0x80000000开始并至少到0x86400000结束的RAM（物理内存），xv6称结束地址为PHYSTOP。QEMU模拟还包括I/O设备，如磁盘接口。QEMU将设备接口作为内存映射控制寄存器暴露给软件，这些寄存器位于物理地址空间0x80000000以下。内核可以通过读取/写入这些特殊的物理地址与设备交互；这种读取和写入与设备硬件而不是RAM通信。