Lecture5中是TA讲的关于栈帧等比较琐碎的东西这里搞在一起了

Lecture4-5

页表 & 虚拟内存相关

接上Lecture3中的描述我们已经知道了强隔离性对于操作系统中进程的独立运行是必须的

如何实现这个强隔离性呢？

使用pagetable是一种非常主流灵活的方法

what

按照页表的模式，整个操作系统需要分页硬件机制所支持

在xv6中对于操作系统的单个CPU（核）内核会自己维护一个页表存储核心数据可见kernel/main.c中的uvminit()与uvmiinithart() 前者进行了初始化配置,分配内存空间而后者将配置后的程序与空闲空间进行了映射

整个的工作流中可以大致分为几个部分：

CPU VA MMU SATP MEM PA

系统得到携带参数进来执行调用需求

-> 用户空间将页表基址存储在SATP寄存器

-> 用户空间将其分配在虚拟地址VA

-> 内核通过MMU进行虚拟地址VA到物理地址PA间的转换

-> 内核空间根据PA在MEM中执行对应操作

可能会有点不严谨

当然了因为页表是以进程为颗粒度的每个进程独享一个虚拟空间的页表每个页表对应的基址地址不同

所以在上下文切换的时候就会顺带把SATP中的值更换

当然也会有一定的优化操作防止每一次查询都需要MMU到SATP中获取然后查页表即MMU中的查询缓存TLB…

这个TLB的更新策略之类的也有很多名堂就是了

地址空间etc

此处以RISC-V为标准

由于RISC-V是64位的机器可以观察到此处预留了25位作为兼容之类的 27位作为虚拟地址的索引剩下的12位则用作偏移量

为什么Offset是12？

因为2^12刚好是4096

而在大部分分页操作系统当中单页的大小基本都是4096 也就是说操作系统的物理内存和虚拟内存本质上都是以4096（单页大小）作为单位的

同时为了节约虚拟地址内存和支持大规模的地址空间 发明了 多级页表 还有其他优点但是暂时跟这里没多大关系

为什么说它可以节约呢？

在进程使用的时候单级页表的模式下无论进程是否使用在启动的时候就已经为他赋予了对应虚拟地址空间的物理内存

但是实际上由于局部性定理等实际使用的内存空间往往是稀疏的即实际分配的内存的总体使用率会比较低

而在多级页表的模式下 只有在当实际使用到的时候才会实际分配内存

同时由于两级的映射毋庸置疑让他可以指向的虚拟地址空间相比单级页表来说更大

xv6中使用的就是两级页表

其中27位的索引可以定位到对应的PPN（页）中是页目录索引和页表索引的集合

即通过页目录索引定位到是哪一个二级目录通过页表索引定位到是具体的哪一页

这个索引的过程体现在xv6的代码中kernel/vm.c中的walkaddr() walk()方法了

其中是对于Level2的va进行循环直至Level0的时候得到的便是真实的物理地址

但是偏移量不需要做这些处理在传递va的时候其中的12位offset不需要做其他处理在计算出真实的物理地址之后定位即可

对于上方的说明可以在使用一个实例来进行说明：

RISC-V中将27位索引位分为三层

在索引的时候首先会根据SATP寻找到对应的页表基址

27位索引位可以分为高中低三个索引位

然后通过高索引位寻找到第一个page directory即页目录定位到的目标叫做PTE(page table entry)

通过这个entry 结合中索引位寻找第二个页目录同理也会定位到一个PTE

同理通过低三位寻找第三个页目录定位到最底层的PTE（Level0）

此时将定位到的PTE加上12位offset 就是真实的物理地址

这是整个查表的过程接下来则是单级页表和多级页表之间索引效率的对比

对于单个进程假如说只是用了1个page

单级索引：该模式下，虚拟地址和物理地址之间是一一映射的所以也会申请到2^27次方的空间造成了很大的空间浪费也就是上面所说的空间稀疏的问题

多级索引：多级索引会对这个page依次申请空间即高,中,低三级页表分别都会申请一个directory的空间 3 *512

为什么一个pagedirectory是512？

在64位环境下每一个条目的所占空间是8kb 所以一共有512个条目去组织它

PTE相关结构

对于每一个PTE（64位）

63-53:前10位是保留字段这个保留字段的意思是向后兼容的
53-10:对于虚拟地址处映射的44位物理实际地址
10-0:标志位 Vaild等标志它是pagedirectory还是具体页表项还有类似Readable Writeable等表明是否能读写该标志位

物理内存结构

xv6中可以看到物理内存空间的起始代码是0x80000000

该地址往上的高地址是可分配可操作的空间代码

往下的低地址则是实现IO等设备时的特定地址

在xv6中对于0x80000000往下的地址

虚拟地址和物理地址是对应的无需映射

实际的操作系统中会有更加复杂的设计

这里牵扯到一个问题在操作系统中我们常说栈帧分配地址的时候是从高地址分配到低地址的

这里所说的对象是逻辑地址这一设计只是为了保证可维护性之类的

映射到实际的物理内存中仍是随机写