实现 SV39 多级页表机制（上）¶

注解

我们将在内核实现 RV64 架构 SV39 分页机制。由于内容过多，分成两个小节。

虚拟地址和物理地址¶

内存控制相关的CSR寄存器¶

默认情况下 MMU 未被使能，此时无论 CPU 处于哪个特权级，访存的地址都将直接被视作物理地址。可以通过修改 S 特权级的 satp CSR 来启用分页模式，此后 S 和 U 特权级的访存地址会被视为虚拟地址，经过 MMU 的地址转换获得对应物理地址，再通过它来访问物理内存。

上图是 RV64 架构下 satp 的字段分布。当 MODE 设置为 0 的时候，所有访存都被视为物理地址；而设置为 8 时，SV39 分页机制被启用，所有 S/U 特权级的访存被视为一个 39 位的虚拟地址，MMU 会将其转换成 56 位的物理地址；如果转换失败，则会触发异常。

地址格式与组成¶

我们采用分页管理，单个页面的大小设置为 \(4\text{KiB}\) ，每个虚拟页面和物理页帧都按 4 KB 对齐。 \(4\text{KiB}\) 需要用 12 位字节地址来表示，因此虚拟地址和物理地址都被分成两部分：它们的低 12 位被称为 页内偏移 (Page Offset) 。虚拟地址的高 27 位，即 \([38:12]\) 为它的虚拟页号 VPN；物理地址的高 44 位，即 \([55:12]\) 为它的物理页号 PPN。页号可以用来定位一个虚拟/物理地址属于哪一个虚拟页面/物理页帧。

地址转换是以页为单位进行的，转换前后地址页内偏移部分不变。MMU 只是从虚拟地址中取出 27 位虚拟页号，在页表中查到其对应的物理页号，如果找到，就将得到的 44 位的物理页号与 12 位页内偏移拼接到一起，形成 56 位物理地址。

注解

RV64 架构中虚拟地址为何只有 39 位？

虚拟地址长度确实应该和位宽一致为 64 位，但是在启用 SV39 分页模式下，只有低 39 位是真正有意义的。 SV39 分页模式规定 64 位虚拟地址的 \([63:39]\) 这 25 位必须和第 38 位相同，否则 MMU 会直接认定它是一个不合法的虚拟地址。。

也就是说，所有 \(2^{64}\) 个虚拟地址中，只有最低的 \(256\text{GiB}\) （当第 38 位为 0 时）以及最高的 \(256\text{GiB}\) （当第 38 位为 1 时）是可能通过 MMU 检查的。

地址相关的数据结构抽象与类型定义¶

实现页表之前，先将地址和页号的概念抽象为 Rust 中的类型。

首先是这些类型的定义：

// os/src/mm/address.rs

#[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
pub struct PhysAddr(pub usize);

#[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
pub struct VirtAddr(pub usize);

#[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
pub struct PhysPageNum(pub usize);

#[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
pub struct VirtPageNum(pub usize);

上面分别给出了物理地址、虚拟地址、物理页号、虚拟页号的 Rust 类型声明，它们都是 usize 的一种简单包装。将它们各自抽象出来而不是直接使用 usize，是为了在 Rust 编译器的帮助下进行多种方便且安全的 类型转换 (Type Convertion) 。

这些类型本身可以和 usize 之间互相转换，地址和页号之间也可以相互转换。以物理地址和物理页号之间的转换为例：

// os/src/mm/address.rs

impl PhysAddr {
    pub fn page_offset(&self) -> usize { self.0 & (PAGE_SIZE - 1) }
}

impl From<PhysAddr> for PhysPageNum {
    fn from(v: PhysAddr) -> Self {
        assert_eq!(v.page_offset(), 0);
        v.floor()
    }
}

impl From<PhysPageNum> for PhysAddr {
    fn from(v: PhysPageNum) -> Self { Self(v.0 << PAGE_SIZE_BITS) }
}

其中 PAGE_SIZE 为 \(4096\) ， PAGE_SIZE_BITS 为 \(12\) ，它们均定义在 config 子模块中，分别表示每个页面的大小和页内偏移的位宽。从物理页号到物理地址的转换只需左移 \(12\) 位即可，但是物理地址需要保证它与页面大小对齐才能通过右移转换为物理页号。

对于不对齐的情况，物理地址不能通过 From/Into 转换为物理页号，而是需要通过它自己的 floor 或 ceil 方法来进行下取整或上取整的转换。

// os/src/mm/address.rs

impl PhysAddr {
    pub fn floor(&self) -> PhysPageNum { PhysPageNum(self.0 / PAGE_SIZE) }
    pub fn ceil(&self) -> PhysPageNum { PhysPageNum((self.0 + PAGE_SIZE - 1) / PAGE_SIZE) }
}

页表项的数据结构抽象与类型定义¶

上图为 SV39 分页模式下的页表项，其中 \([53:10]\) 这 \(44\) 位是物理页号，最低的 \(8\) 位 \([7:0]\) 则是标志位，它们的含义如下：

仅当 V(Valid) 位为 1 时，页表项才是合法的；
R/W/X 分别控制索引到这个页表项的对应虚拟页面是否允许读/写/取指；
U 控制索引到这个页表项的对应虚拟页面是否在 CPU 处于 U 特权级的情况下是否被允许访问；
G 我们不理会；
A(Accessed) 记录自从页表项上的这一位被清零之后，页表项的对应虚拟页面是否被访问过；
D(Dirty) 则记录自从页表项上的这一位被清零之后，页表项的对应虚拟页表是否被修改过。

先来实现页表项中的标志位 PTEFlags ：

// os/src/main.rs

#[macro_use]
extern crate bitflags;

// os/src/mm/page_table.rs

use bitflags::*;

bitflags! {
    pub struct PTEFlags: u8 {
        const V = 1 << 0;
        const R = 1 << 1;
        const W = 1 << 2;
        const X = 1 << 3;
        const U = 1 << 4;
        const G = 1 << 5;
        const A = 1 << 6;
        const D = 1 << 7;
    }
}

bitflags 是一个 Rust 中常用来比特标志位的 crate 。它提供了一个 bitflags! 宏，如上面的代码段所展示的那样，可以将一个 u8 封装成一个标志位的集合类型，支持一些常见的集合运算。

接下来我们实现页表项 PageTableEntry ：

// os/src/mm/page_table.rs

#[derive(Copy, Clone)]
#[repr(C)]
pub struct PageTableEntry {
    pub bits: usize,
}

impl PageTableEntry {
    pub fn new(ppn: PhysPageNum, flags: PTEFlags) -> Self {
        PageTableEntry {
            bits: ppn.0 << 10 | flags.bits as usize,
        }
    }
    pub fn empty() -> Self {
        PageTableEntry {
            bits: 0,
        }
    }
    pub fn ppn(&self) -> PhysPageNum {
        (self.bits >> 10 & ((1usize << 44) - 1)).into()
    }
    pub fn flags(&self) -> PTEFlags {
        PTEFlags::from_bits(self.bits as u8).unwrap()
    }
}

第 3 行我们让编译器自动为 PageTableEntry 实现 Copy/Clone Trait，来让这个类型以值语义赋值/传参的时候不会发生所有权转移，而是拷贝一份新的副本。
第 10 行使得我们可以从一个物理页号 PhysPageNum 和一个页表项标志位 PTEFlags 生成一个页表项 PageTableEntry 实例；而第 20 行和第 23 行则分别可以从一个页表项将它们两个取出。
第 15 行中，我们也可以通过 empty 方法生成一个全零的页表项，注意这隐含着该页表项的 V 标志位为 0 ，因此它是不合法的。

后面我们还为 PageTableEntry 实现了一些辅助函数(Helper Function)，可以快速判断一个页表项的 V/R/W/X 标志位是否为 1，以 V 标志位的判断为例：

// os/src/mm/page_table.rs

impl PageTableEntry {
    pub fn is_valid(&self) -> bool {
        (self.flags() & PTEFlags::V) != PTEFlags::empty()
    }
}

这里相当于判断两个集合的交集是否为空。