2.CH-3文档学习笔记

CH-3 页表

0、页表简介

  • 每个进程都有一个页表
  • 用于隔离不同进程的地址空间
  • 为每个进程提供私有的地址空间
  • 决定了进程能访问哪些地址
  • 复用物理内存，把同一物理页映射到几个页表中

1. 分页硬件

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  • 内存的实际地址是物理地址
  • 用户指令访问的是虚拟地址
  • 需要通过页表，将虚拟地址翻译为物理地址，才能访问
  • 在运行时，内核会讲页表加载到内存中，方便快速访问
  • 将一级页表的物理地址写入satp寄存器，CPU会使用它翻译虚拟地址。每个CPU都有一个satp，所以不同的CPU可运行不同的进程。
  • 编址单位是字节Byte

三级页表

简介

  • XV6运行在Sv39 RISC-V上，虚拟地址长64位，
  • 高25位不使用，只使用低39位
  • 39位中，高27位由3个9位索引组成，分别对应3级页表
  • 每一级页表有\(2^9\)个页表项，每一项大小为64bit，所以每个页表大小都为一页：4KB
  • 翻译过程中，任一级页表找不到，都会抛出分页错误：page-fault exception

优点

  • 相比单层设计，节省空间

    如果程序只使用了从地址0开始的几个页面，那么一级页表中的1到511项的二级页表就暂时不需要创建，更不必创建这些二级页表对应的三级页表。

页表项Flag介绍

相关文件：kernel/riscv.h

  • PTE_V：页表项是否存在，如果未设置，则对该页的使用会引起异常(即不允许访问)。
  • PTE_R：是否允许指令读取该页。
  • PTE_W：是否允许写入页。
  • PTE_X：CPU是否可以将页的内容解释为指令并执行它们。
  • PTE_U：是否允许用户模式下的指令访问该页，如果未设置PTE_U，则只能在监督者模式下使用。

2、地址空间

2.1 内核地址空间

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  • 每个进程都有一个独立的页表，描述进程的地址空间
  • 内核也有一个独立的页表，由内核自行配置地址空间的布局，使其能够通过虚拟地址访问物理内存和各种硬件资源。图3.3显示了内核页表和物理地址的关系
  • QEMU模拟的计算机，物理地址从0x80000000开始，持续到0x88000000，xv6称之为PHYSTOP。
  • QEMU还包括I/O设备，如磁盘。QEMU将设备映射到内存供软件使用，这些设备分布在[0:0x80000000]的物理地址中。内核读/写这些物理地址，就可以直接操作设备硬件。
  • 内核通过 "直接映射 "管理RAM以及内存映射的设备；即，将资源映射到与物理地址相等的虚拟地址上。例如，内核所在的虚拟和物理地址都是0x80000000。直接映射简化了读写物理内存的内核代码。例如，当fork为子进程分配用户内存时，分配器会返回新分配的内存的物理地址；之后fork直接使用该物理地址作为虚拟地址将父进程的内存复制到子进程。
  • 内核映射trampoline和内核页面，权限为PTE_R和PTE_X。内核可从这些页面读取并执行指令。内核映射其他页面的权限为PTE_R和PTE_W，以便可以读取和写入这些页面。内核设置防护页，不映射任何页面，权限为PTE_V为无效。

2.2 用户进程地址空间

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  • 每个进程都有一个单独的页表，当切换进程时，页表也会切换。

  • 进程地址空间从0开始，可以增长到MAXVA (kernel/riscv.h:360)，最大允许256g的内存。

  • 进程的地址空间由以下部分组成:

    • 包含程序文本的text页(映射的权限为PTE_R、PTE_X和PTE_U)
    • 包含程序预初始化数据的Data页、Stack页和Heap页。权限为PTE_R、PTE_W和PTE_U

  • 对不同的页设置不同的权限是加固用户进程的常用技术。

    • text没有PTE_W权限，是为了防止进程修改自己的程序。

      • 不给映射的数据PTE_X权限，用户程序就不会意外地跳转到一个地址，并开始执行。

  • 为防止栈溢出，我们在stack下方，放置一个清除了PTE_U权限的页，当溢出时，会报错。

  • 当进程请求更多内存时，Xv6首先使用kalloc分配物理内存页。之后将页表项添加到进程页表，指向新的物理内存页。为新的页分配PTE_W、PTE_R、PTE_U和PTE_V权限。

  • 内核在所有用户地址空间顶部都映射了一页trampoline(没有设置PTE_U标志)，这页只能由内核使用。

三、 相关代码介绍

  • 页表的相关代码位于kernel/vm.c:1。
  • kvm开头的函数操作内核页表；uvm开头的函数操作用户页表；其他函数两者共用。
  • copyout和copyin复制数据到用户虚拟地址或从用户虚拟地址复制数据，作为系统调用参数供使用
  • 代码介绍在代码流程分析文件中

3.1 地址空间初始化

  • 从kernel\main.c\main()开始初始化

    kinit();         // 初始化物理地址
kvminit();       // 创建内核页表
kvminithart();   // 启动页表映射功能

kinit() - 初始化物理地址

初始化，从内核代码结束的位置，一直到PHYSTOP，一共128MB的空间，按4KB分块，将其放置到kmem.freelist中，供以后分配使用

kvminit() - 创建内核页表

四、附录

4.1 SATP寄存器简介

SV39 satp寄存器格式：

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  • MODE：

    指示SATP的工作模式，当MODE=8时，代表工作在SV39模式，下表是可选值

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  • ASID(address space identifier，地址空间标识符)：xv6没用这个值

  • PPN(physical page number，物理页号)：保存根页表的物理页号，是物理页号而不是物理地址，所以其中的值是物理地址除以4KB

posted @ 2024-04-21 00:09  INnoVation-V2  阅读(43)  评论(0)    收藏  举报