xv6操作系统源码阅读之页表

硬件支持

如上图，对于x86硬件来说，其在寻址时（保护模式下），会通过CR3寄存器找到页目录表的地址，接着虚拟地址的高十位会作为页目录表的索引，从而找到对应的页表，接着虚拟地址的中间10个bit会被作为页表中的索引，从而找到对应的页的物理地址，最后虚拟地址的低12位被用来指示其在页中的偏移，由于偏移量占了12位，也就意味着每一个页的大小为4k个字节。
页目录表和页表都有1024条记录，这些记录的高20位对应的就是分配的物理地址，低12位为一些标志位，比如P标志位指示了当前该虚拟地址是否分配了物理地址，如果为0，则会产生错误（陷入中断），再比如U标志位指示了用户进程是否允许访问该页表，如果为0，则该页表项只能由内核访问。由于页目录表中和页表中每一项占32bit，所以每个页目录表和页表的大小也就为4096个字节。

进程地址空间

如上图，进程的地址空间从0地址一直到KERNBASE,再往上就是内核空间。上图中的各个宏的定义代码如下。

// Memory layout

#define EXTMEM  0x100000            // Start of extended memory
#define PHYSTOP 0xE000000           // Top physical memory
#define DEVSPACE 0xFE000000         // Other devices are at high addresses

// Key addresses for address space layout (see kmap in vm.c for layout)
#define KERNBASE 0x80000000         // First kernel virtual address
#define KERNLINK (KERNBASE+EXTMEM)  // Address where kernel is linked

根据KERNBASE的值可以判断出每个进程所能使用的空间有2GB。
从上图中可以看出内核把自己映射到了0到PHYSTOP的物理地址，PHYSTOP代表物理地址的上限，但是由于内核部分的虚拟空间只有2GB，这也使得即使PHYSTOP大于2GB，也就是说物理内存大于2GB，内核也使用不了，因为物理空间超过了其虚拟空间的大小。
一些内存映射IO设备的物理地址从0xFE000000开始，所以虚拟地址直接映射过去就可以了。
另外内核部分的页表的U标志是清零的，这也代表内核空间是不允许用户进程访问的。
由于每个进程的地址空间都包含了内核和用户两部分，这也使得从用户空间切换到内核空间不需要进行页表的切换。

创建地址空间源码分析

在之前的源码分析系列文章中我们看到了给内核分配地址空间的是kvmalloc函数，其实也就是建立KERNBASE以上虚拟地址的映射，代码如下。

// Allocate one page table for the machine for the kernel address
// space for scheduler processes.
void
kvmalloc(void)
{
   
  kpgdir = setupkvm();
  switchkvm();
}

可以看到其主要是调用了setupkvm函数，代码如下。

// Set up kernel part of a page table.
pde_t*
setupkvm(void)
{
   
  pde_t *pgdir;
  struct kmap *k;

  if((pgdir = (pde_t*)kalloc()) == 0)
    return 0;
  memset(pgdir, 0, PGSIZE);
  if (P2V(PHYSTOP) > (void*)DEVSPACE)
    panic("PHYSTOP too high");
  for(k = kmap; k < &kmap[NELEM(kmap)]; k++)
    if(mappages(pgdir, k->virt, k->phys_end - k->phys_start,
                (uint)k->phys_start, k->perm) < 0) {
   
      freevm(pgdir);
      return 0;
    }
  return pgdir;
}

setupkvm函数主要是对内核部分的进程地址空间进行映射，代码定义如下。

static struct kmap {
   
  void *virt;
  uint phys_start;
  uint phys_end;
  int perm;
} kmap[] = {
   
 {
    (void*)KERNBASE, 0,             EXTMEM,    PTE_W}, // I/O space
 {
    (void*)KERNLINK, V2P(KERNLINK), V2P(data), 0},     // kern text+rodata
 {
    (void*)data,     V2P