MIT 6.1810 · 第 5 课

页表与虚拟内存

页表是实现隔离的关键机制。本课深入 RISC-V 的三级页表结构，探讨内核页表与用户页表的布局，并通过 xv6 代码走读理解虚拟内存的实际实现。

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虚拟内存：为什么需要它？

假设 shell 有一个 bug：偶尔会写到随机内存地址。没有虚拟内存，shell 可能覆盖内核数据或其他进程的内存。

页表：寻址的间接层

CPU → MMU → RAM，MMU 通过页表把虚拟地址（VA）翻译为物理地址（PA）：

CPU 发出 VA ──→ MMU 查页表 ──→ 得到 PA ──→ 访问 RAM

概念	说明
satp 寄存器	存放当前页表的物理地址，内核写 satp 切换页表
页（Page）	RISC-V 的页大小 = 4 KB = \(2^{12}\) 字节
PTE	页表条目（Page Table Entry），64 位

RISC-V Sv39 的地址空间限制

64 位地址中只使用低 39 位（Sv39），地址空间上限 512 GB：

• 64 位地址 - 12 位页内偏移 = 52 位页号
• Sv39 只用低 27 位作为页号（\(2^{9} \times 2^{9} \times 2^{9} = 2^{27}\)）
• 每个页表（directory）512 个条目 = 4096 字节 = 1 页

PTE 结构

[10 保留位 | 44 位 PPN（物理页号）| 10 位标志]
标志位：V（Valid）, R（Read）, W（Write）, X（Execute）, U（User）

地址翻译：高 27 位是页号（索引页表），低 12 位是页内偏移（直接复制到物理地址）。

三级页表：节省空间

为什么不用单级页表？

如果使用单级数组，需要 \(2^{27}\) 个 PTE × 8 字节 ≈ 1 GB 每个地址空间——即使进程只使用几 KB 内存，也要占 1 GB 页表空间，完全不可接受。

三级树形结构

VA: [L2 索引 9位 | L1 索引 9位 | L0 索引 9位 | 页内偏移 12位]

Level 2 目录 ──→ Level 1 目录 ──→ Level 0 目录 ──→ 物理页
     ↑                 ↑                 ↑
   9 bits            9 bits            9 bits

只为实际使用的地址分配中间目录页——未使用的部分不占内存。

TLB：加速地址翻译

三级页表每次内存访问需要 4 次查表。CPU 用 Translation Look-aside Buffer (TLB) 缓存最近使用的翻译结果，避免频繁查表。

• sfence.vma：刷新 TLB（切换页表时必须使用）
• ASID：地址空间标识符，避免每次切换都刷新整个 TLB
• Super Pages：2 MB / 1 GB 大页，减少 TLB miss

PTE 标志位

标志	含义
V	Valid：该 PTE 是否有效
R/W/X	可读/可写/可执行
U	User：用户态可访问
G	Global：全局 TLB 条目（跨地址空间共享）

xv6 的虚拟内存实现

内核页表（图 3.3）

内核页表建立直接映射（direct mapping）：虚拟地址 = 物理地址（大部分区域）。这使得内核可以直接把物理地址 cast 成 C 指针写入。

虚拟地址	物理地址	用途
0x10000000	0x10000000	UART 控制台
0x10001000	0x10001000	VIRTIO 磁盘
0x80000000 → 0x88000000	0x80000000 → 0x88000000	128 MB RAM
0x3ffffff000	-	Trampoline（用户/内核过渡页）
0x3fffffe000	-	内核栈（每个进程一个）

注意：

• 内核 text 没有 W 位（防写入）
• 内核 data 没有 X 位（防执行）
• Trampage 在每个用户页表和内核页表中映射到相同 VA——这是用户/内核切换的关键

用户地址空间（图 3.4）

地址范围	内容
低地址	text → data → heap（向上增长）
stack 下方	stack guard（无 PTE_U，不可访问）
stack	用户栈（向下增长）
0x3ffffff000	Trampoline（无 PTE_U）
0x3fffffe000	Trapframe（无 PTE_U）

代码走读：xv6 页表实现

1. 建立内核页表：kvmmake()

// kernel/vm.c
pagetable_t kvmmake(void) {
    pagetable_t kpgtbl = (pagetable_t) kalloc();
    memset(kpgtbl, 0, PGSIZE);

    // UART0 直接映射
    kvmmap(kpgtbl, UART0, UART0, PGSIZE, PTE_R | PTE_W);

    // VIRTIO0
    kvmmap(kpgtbl, VIRTIO0, VIRTIO0, PGSIZE, PTE_R | PTE_W);

    // 物理 RAM 直接映射
    kvmmap(kpgtbl, KERNBASE, KERNBASE, PHYSTOP - KERNBASE,
           PTE_R | PTE_W);

    // 内核栈
    proc_mapstacks(kpgtbl);
    return kpgtbl;
}

2. 添加映射：kvmmap() → mappages()

// kernel/vm.c
void kvmmap(pagetable_t kpgtbl, uint64 va, uint64 pa,
            uint64 size, int perm) {
    mappages(kpgtbl, va, size, pa, perm);
}

// 为 [va, va+size) 的每个页建立映射
int mappages(pagetable_t pagetable, uint64 va, uint64 size,
              uint64 pa, int perm) {
    uint64 a, last;
    pte_t *pte;

    a = PGROUNDDOWN(va);
    last = PGROUNDDOWN(va + size - 1);
    for(;;) {
        // walk 找到 va 对应的 PTE 地址（必要时创建目录页）
        if((pte = walk(pagetable, a, 1)) == 0)
            return -1;
        if(*pte & PTE_V)
            panic("remap");
        // 设置 PTE：物理页号 + 权限 + Valid
        *pte = PA2PTE(pa) | perm | PTE_V;
        if(a == last)
            break;
        a += PGSIZE;
        pa += PGSIZE;
    }
    return 0;
}

3. 页表遍历：walk()

walk() 模拟硬件的页表遍历过程：

// kernel/vm.c
pte_t *walk(pagetable_t pagetable, uint64 va, int alloc) {
    if(va >= MAXVA)
        panic("walk");

    for(int level = 2; level > 0; level--) {
        pte_t *pte = &pagetable[PX(level, va)];  // 提取 9 位索引
        if(*pte & PTE_V) {
            // 下一级目录已存在
            pagetable = (pagetable_t)PTE2PA(*pte);
        } else {
            // 需要分配新的目录页
            if(!alloc || (pagetable = (pde_t*)kalloc()) == 0)
                return 0;
            memset(pagetable, 0, PGSIZE);
            *pte = PA2PTE(pagetable) | PTE_V;
        }
    }
    // 最后一级：返回叶 PTE 的地址
    return &pagetable[PX(0, va)];
}

4. 启用分页：kvminithart()

// kernel/vm.c
void kvminithart() {
    // satp 需要页表的物理地址！
    w_satp(MAKE_SATP(kernel_pagetable));
    sfence_vma();  // 刷新 TLB
}

手动计算示例：UART0 = 0x10000000

页号 = 0x10000000 >> 12 = 0x10000
L2 索引 = (0x10000 >> 18) & 0x1FF = 0x0
L1 索引 = (0x10000 >> 9) & 0x1FF = 0x80
L0 索引 = 0x10000 & 0x1FF = 0x0
页内偏移 = 0x10000000 & 0xFFF = 0x0

PTE 低 10 位 = 0x7 = 0b000111
→ PTE_R (0b00001) | PTE_W (0b00010) | PTE_V (0b00001)

调试技巧

• vmprint(pagetable)：打印页表结构（你将实现这个函数）
• QEMU 命令 info mem：查看当前 satp 的页表映射
• GDB 单步跟踪 walk() 的每一级遍历

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知识检查

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本课要点

延伸阅读

• xv6 教材 — Chapter 3: Page tables
• RISC-V Privileged Specification — 页表硬件规范
• QEMU virt 平台 — 物理地址布局

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