MIT6828 学习笔记 008 (lec 4)

目标：

• 地址空间
• 分页硬件
• Xv6 虚拟内存代码

虚拟内存概述

问：如果 shell 有个 bug 会往随即的内存地址写数据，内核应该怎么阻止这个操作把自己或者把其他进程搞崩？答：分离每个进程的地址空间。那么如何实现在一块物理内存上分离出多个梅村空间？

Xv6 使用 RISC-V 的分页硬件实现，分页给地址提供了一定等级的间接性：

CPU ---> MMU ---> RAM
     VA       PA

MMU: Memory Management Unit （内存管理单元）
VA: Virtual Address （虚拟地址）
PA: Physical Address （物理地址）

• 软件只能使用虚拟地址
• 内核告诉 MMU 如何把虚拟地址映射到物理地址
• MMU 通过分页表把虚拟地址转换为物理地址
• 每个地址空间都有自己的一个分页表
• MMU 可以限制用户代码可访问的虚拟地址范围
• 通过对 MMU 编程，内核实现了虚拟地址到物理地址的映射的完全控制，实现了许多有趣的操作系统特性/技巧

RISC-V 映射 4-KB 分页，想要支持访问分页里 4K 个 byte 的话需要 12 个 bit 的 offset () ，所以分页的虚拟地址只使用顶部 52 个 bit ，而这 52 个 bit 里顶部的 25 个 bit 因为目前 RISC-V 计算机内存大小一般用不到（以后可以扩展）所以也没有使用，所以分页虚拟地址的索引是 27 个 bit

注意虚拟地址的长度与物理地址不一样

问：把分页表设计成 PTE page_table[] 合理吗？答：写全应该是 PTE page_table[2^27] ，大小为，反正就是每个分页表都能浪费很大内存空间

问：访问一个没有 V flag 的分页或写入一个没有 W flag 的分页会导致什么？答： page fault ，会强制转移回内核（在 Xv6 下是 kernel/trap.c ），内核处理错误、终止这个进程；或者新分配一个 PTE 然后继续运行这个进程

问：为啥内核也要用虚拟地址，为啥不直接用物理地址？答：理论可行，实际上标准的内核没有这么做的，原因并不特别令人信服：虚拟内存相关硬件使虚拟内存很难被禁用（如进入系统调用需要禁用虚拟内存）；内核自己也能通过虚拟地址得到好处