# 3.1 分页硬件

提醒一下，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基于Sv39 RISC-V运行，这意味着它只使用64位虚拟地址的低39位；而高25位不使用。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。图3.1显示了这个过程，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）。

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在Sv39 RISC-V中，虚拟地址的前25位不用于转换；将来RISC-V可能会使用那些位来定义更多级别的转换。另外物理地址也是有增长空间的： PTE格式中有空间让物理地址长度再增长10个比特位。RISC-V 的设计者根据技术预测选择了这些数字。 $2^{39}$ 字节是 512 GB，这应该足够让应用程序运行在 RISC-V 计算机上。 $2^{56}$ 的物理内存空间在不久的将来足以容纳可能的 I/O 设备和 DRAM 芯片。 如果需要更多，RISC-V 设计人员定义了具有 48 位虚拟地址的 Sv48

如图3.2所示，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（page-fault exception），并让内核来处理该异常（参见第4章）。

与图 3.1 的单级设计相比，图 3.2 的三级结构使用了一种更节省内存的方式来记录 PTE。在大范围的虚拟地址没有被映射的常见情况下，三级结构可以忽略整个页面目录。举个例子，如果一个应用程序只使用了一个页面，那么顶级页面目录将只使用条目0，条目 1 到 511 都将被忽略，因此内核不必为这511个条目所对应的中间页面目录分配页面，也就更不必为这 511 个中间页目录分配底层页目录的页。 所以，在这个例子中，三级设计仅使用了三个页面，共占用 $3\times4096$个字节。

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。
