xv6笔记：chapt3 Page tables

Why using page tables?

Isolate different process’s address spaces and to multiplex them onto a single physical memory

As a reminder

• RISC-V instructions manipulate virtual addresses.
• RAM is indexed with physical addresses

Paging hardware

• a page table gives the os control over virtual-to-physical address translations at the granularity of 4096 bytes, such a chunk is called a page

• 页表在物理内存中以三级树的形式存储

  • 根页表是一个大小为4096-byte的页表，他有512个页表项
  • 每一级页表都保存这下一级页表的物理地址

• 如果翻译地址时有任何页表项不存在的话，分页硬件会抛出一个页错误异常，由内核来解决

• 通常情况下，大部分虚拟地址是没有映射的，这时候三级结构可以有效减少内存占用。

• 但是这种方式潜在的缺陷是，CPU需要从内存读入三次PTEs来进行转译

• 幸运的是，我们可以使用缓存页表的方式（TLB）来减少访存次数

PTE状态bits

• PTE_V: 表示PTE是否存在，若未设置会抛出异常

• PTE_R：表示是否允许读取页

• PTE_W：表示是否允许写入页

• PTE_X：表示是否CPU会把页中的内容解释为命令，并执行

• PTE_U：表示是否允许用户模式下的命令访问页

（定义在kernel/riscv.h）

notes:

• 物理内存 == DRAM存储单元
• 一个字节的物理内存拥有一个地址
• 指令只使用虚拟地址,该地址由分页硬件翻译为物理地址
• 虚拟内存不是实际的对象而是内核对物理内存提供的抽象

内核地址空间

• 每个进程，有一张页表描述了进程的用户地址空间。

• 系统有一个单独的页表描述内核地址空间

内核内存布局(kernel memory layout)

• kernel gets at RAM and memory mapped device registers using “direct mapping”

• Direct mapping simplifies kernel code that reads or writes physical memory

• kernel virtual address that aren’t direct-mapped:

  • trampoline page
  • kernel stack pages

进程虚拟地址空间布局

当一个进程向os申请用户内存的过程：

• 使用kalloc分配物理页表
• 把页表项加入进程页表中
• 在加入的页表项中设置PTE_W, PTE_X, PTE_R, PTE_U, and PTE_V flags

使用页表的好处：

• 不同的页表把用户地址翻译到不同的物理内存的页，所以每个进程都有自己的用户内存。
• 每个进程看到的内存是从0开始的连续虚拟地址，然而实际上进程的物理内存是非连续的
• 因为内核将陷入页映射到了用户地址空间的顶部，所有物理内存的单个页出现在了所有地址空间中。

code: sbrk

• sbrk是增加或减少一个进程占用内存的系统调用，它的实现在growproc中。
• growproc会调用uvmalloc或是uvmdealloc来增加或减少一个进程占用的内存

code: exec

• exec 是创建用户区域地址空间的系统调用。它从一个文件中初始化用户地址空间。