3.1: 分页硬件（Paging hardware）

虚拟地址与物理地址的关系： RISC-V 指令(无论是用户模式还是内核模式)操作的是虚拟地址，而物理内存(RAM)则通过物理地址进行索引。RISC-V 的页表硬件连接了这两种地址，通过将每个虚拟地址映射到一个物理地址来实现。

Sv39 页表

页表的构成

Sv39 页表： xv6 操作系统运行在 Sv39 配置的 RISC-V 上，这意味着只有 64 位虚拟地址的最低 39 位被使用，而最高 25 位没有被使用。
在这种 Sv39 配置下，RISC-V 页表逻辑上是一个由 2^27（134,217,728）个页表条目（PTE）组成的数组。每个 PTE 包含一个 44 位的物理页号（PPN）和一些标志位。
分页硬件通过使用虚拟地址的前 27 位来索引页表，找到对应的 PTE，然后构建出一个 56 位的物理地址，其中前 44 位来自 PTE 中的 PPN，后 12 位直接来自原始虚拟地址的低 12 位。

PTE中，44位PPN，即物理页号为物理地址右移12位获得，最后10位为标记位，PTE中54-63位保留 物理地址的位数：64 位 RISC-V 处理器的物理地址空间可能并不需要使用完整的 64 位。很多实现可能只使用 44 位或 48 位的物理地址空间，这样可以有效降低硬件复杂性。 页表项和物理页号（PPN）：在大多数实现中，物理页号可能只需要 44 位，因此即使是 64 位的系统，也可以通过右移 12 位来得到物理页号，然后通过左移 10 位空间来存储控制标记位，这些标记位包括：

// shift a physical address to the right place for a PTE.
#define PA2PTE(pa) ((((uint64)pa) >> 12) << 10)

#define PTE2PA(pte) (((pte) >> 10) << 12)

页表的层级结构

页表的层级结构： RISC-V 的页表是一棵三层的树，每层都包含 512 个 PTE，具体结构如图所示。

../../../../_images/hierarchical_page_tables.png

根页表页是一个 4096 字节的页面，包含 512 个 PTE（每个PTE8个字节64位），这些 PTE 指向下一级页表。
在分页过程中，硬件依次使用虚拟地址的前三个 9 位来选择页表中的 PTE。 假设虚拟地址分为三个部分：高 9 位选择根页表中的 PTE，中间 9 位选择次级页表中的 PTE，最后 9 位选择最终的 PTE。

如果在翻译过程中，任何一个 PTE 不存在，分页硬件会触发一个页错误（page fault）异常，由内核来处理这个异常。

页表标志位： 每个 PTE 包含标志位，标明该虚拟地址的访问权限：

  • PTE_V（有效位）：标记该页是否存在。

  • PTE_R（可读位）：控制是否允许读取页面。

  • PTE_W（可写位）：控制是否允许写入页面。

  • PTE_X（可执行位）：控制是否允许执行页面中的内容。

  • PTE_U（用户模式位）：控制用户模式是否允许访问该页。

如何使用页表

要让 CPU 使用页表，内核需要将根页表的物理地址写入 satp 寄存器中。每个 CPU 有一个独立的 satp 寄存器，因此不同的 CPU 可以运行不同的进程，每个进程有自己独立的地址空间，由其自己的页表描述。

虚拟地址与物理地址的转换过程： RISC-V CPU 将虚拟地址转换为物理地址的过程分为三个步骤。通过页表的三级结构，CPU 依次访问页表，获取所需的 PTE，从而完成虚拟地址到物理地址的转换。这一过程由硬件自动完成。为了提高性能，CPU 会将常用的页表条目缓存在转译后备缓冲区（TLB）中，以避免频繁访问物理内存。

页表的内存节省： 三层结构比单层设计更加节省内存。例如，当某个应用程序只使用少量页面时，三层结构能够省去大量无效的页表页，从而减少内存消耗。

总结：

xv6 使用 RISC-V 的 Sv39 配置进行分页管理，通过三层页表结构实现虚拟地址到物理地址的转换。分页硬件不仅能高效地管理内存，还能通过一系列的标志位来控制内存的访问权限。每个进程的地址空间都通过页表与物理内存分离，确保了进程之间的隔离性和安全性。

问题：

  • 由于xv6中内存分配以页为单位，页表机制也是一样的，因此用户空间一级页表所占空间就是一个内存页，但是由于在用户空间，其虚拟地址最高为为0，因此有效的pte条目最多为256项，是可以这么理解吗？

  • 为什么sv39中最高位为0，是针对用户空间的虚拟地址的定义的吗？

  • 内核的直接映射中低地址采用直接映射，低地址的虚拟地址的最高位会为0，是不是和内核态的虚拟地址高位为1相矛盾，如0x80000000地址的虚拟地址的（4个字节，32位），0100 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000，还有相面更多的和硬件寄存器相关联的地址映射