# 4.5 Kernel Page Table 接下来，我们看一下在XV6中，page table是如何工作的？首先我们来看一下kernel page的分布。下图就是内核中地址的对应关系，左边是内核的虚拟地址空间，右边上半部分是物理内存或者说是DRAM，右边下半部分是I/O设备。接下来我会首先介绍右半部分，然后再介绍左半部分。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MK_UbCc81Y4Idzn55t8%2F-MKaY9xY8MaH5XTiwuBm%2Fimage.png?alt=media\&token=3adbe628-da78-472f-8e7b-3d0b1d3177b5) 图中的右半部分的结构完全由硬件设计者决定。如你们上节课看到的一样，当操作系统启动时，会从地址0x80000000开始运行，这个地址其实也是由硬件设计者决定的。具体的来说，如果你们看一个主板， ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MK_UbCc81Y4Idzn55t8%2F-MKaZCY5cuI-D3WhAE94%2Fimage.png?alt=media\&token=800ba36c-7f39-4d04-bae5-f842c179b20a) 中间是RISC-V处理器，我们现在知道了处理器中有4个核，每个核都有自己的MMU和TLB。处理器旁边就是DRAM芯片。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MK_UbCc81Y4Idzn55t8%2F-MKaZik5ig19xs1OK5WX%2Fimage.png?alt=media\&token=c5b6e5e2-30a3-4e91-a0e3-2c8ae7cf9b7d) 主板的设计人员决定了，在完成了虚拟到物理地址的翻译之后，如果得到的物理地址大于0x80000000会走向DRAM芯片，如果得到的物理地址低于0x80000000会走向不同的I/O设备。这是由这个主板的设计人员决定的物理结构。如果你想要查看这里的物理结构，你可以阅读主板的手册，手册中会一一介绍物理地址对应关系。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MK_UbCc81Y4Idzn55t8%2F-MKaa841bcyITdSeXgSv%2Fimage.png?alt=media\&token=722903cf-faa3-4e99-8bd3-3198d3a7cf59) ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MK_UbCc81Y4Idzn55t8%2F-MKaaGcY8o95G9RhrbP9%2Fimage.png?alt=media\&token=eb60fc6f-da2d-4a8d-9364-c17f5c0f9ac5) 首先，地址0是保留的，地址0x10090000对应以太网，地址0x80000000对应DDR内存，处理器外的易失存储（Off-Chip Volatile Memory），也就是主板上的DRAM芯片。所以，在你们的脑海里应该要记住这张主板的图片，即使我们接下来会基于你们都知道的C语言程序---QEMU来做介绍，但是最终所有的事情都是由主板硬件决定的。 > 学生提问：当你说这里是由硬件决定的，硬件是特指CPU还是说CPU所在的主板？ > > Frans教授：CPU所在的主板。CPU只是主板的一小部分，DRAM芯片位于处理器之外。是主板设计者将处理器，DRAM和许多I/O设备汇总在一起。对于一个操作系统来说，CPU只是一个部分，I/O设备同样也很重要。所以当你在写一个操作系统时，你需要同时处理CPU和I/O设备，比如你需要向互联网发送一个报文，操作系统需要调用网卡驱动和网卡来实际完成这个工作。 回到最初那张图的右侧：物理地址的分布。可以看到最下面是未被使用的地址，这与主板文档内容是一致的（地址为0）。地址0x1000是boot ROM的物理地址，当你对主板上电，主板做的第一件事情就是运行存储在boot ROM中的代码，当boot完成之后，会跳转到地址0x80000000，操作系统需要确保那个地址有一些数据能够接着启动操作系统。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MK_UbCc81Y4Idzn55t8%2F-MKaeaT3eXOyG4jfKKU7%2Fimage.png?alt=media\&token=a04af08d-3c8d-4c61-a63d-6376dec252ea) 这里还有一些其他的I/O设备： * PLIC是中断控制器（Platform-Level Interrupt Controller）我们下周的课会讲。 * CLINT（Core Local Interruptor）也是中断的一部分。所以多个设备都能产生中断，需要中断控制器来将这些中断路由到合适的处理函数。 * UART0（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）负责与Console和显示器交互。 * VIRTIO disk，与磁盘进行交互。 地址0x02000000对应CLINT，当你向这个地址执行读写指令，你是向实现了CLINT的芯片执行读写。这里你可以认为你直接在与设备交互，而不是读写物理内存。 > 学生提问：确认一下，低于0x80000000的物理地址，不存在于DRAM中，当我们在使用这些地址的时候，指令会直接走向其他的硬件，对吗？ > > Frans教授：是的。高于0x80000000的物理地址对应DRAM芯片，但是对于例如以太网接口，也有一个特定的低于0x80000000的物理地址，我们可以对这个叫做内存映射I/O（Memory-mapped I/O）的地址执行读写指令，来完成设备的操作。 > > 学生提问：为什么物理地址最上面一大块标为未被使用？ > > Frans教授：物理地址总共有2^56那么多，但是你不用在主板上接入那么多的内存。所以不论主板上有多少DRAM芯片，总是会有一部分物理地址没有被用到。实际上在XV6中，我们限制了内存的大小是128MB。 > > 学生提问：当读指令从CPU发出后，它是怎么路由到正确的I/O设备的？比如说，当CPU要发出指令时，它可以发现现在地址是低于0x80000000，但是它怎么将指令送到正确的I/O设备？ > > Frans教授：你可以认为在RISC-V中有一个多路输出选择器（demultiplexer）。 接下来我会切换到第一张图的左边，这就是XV6的虚拟内存地址空间。当机器刚刚启动时，还没有可用的page，XV6操作系统会设置好内核使用的虚拟地址空间，也就是这张图左边的地址分布。 因为我们想让XV6尽可能的简单易懂，所以这里的虚拟地址到物理地址的映射，大部分是相等的关系。比如说内核会按照这种方式设置page table，虚拟地址0x02000000对应物理地址0x02000000。这意味着左侧低于PHYSTOP的虚拟地址，与右侧使用的物理地址是一样的。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MK_UbCc81Y4Idzn55t8%2F-MKalBg8KcCxk0HNNgOr%2Fimage.png?alt=media\&token=17dfd137-31cc-4262-8f7b-d00df4d3b9f1) 所以，这里的箭头都是水平的，因为这里是完全相等的映射。 除此之外，这里还有两件重要的事情： 第一件事情是，有一些page在虚拟内存中的地址很靠后，比如kernel stack在虚拟内存中的地址就很靠后。这是因为在它之下有一个未被映射的Guard page，这个Guard page对应的PTE的Valid 标志位没有设置，这样，如果kernel stack耗尽了，它会溢出到Guard page，但是因为Guard page的PTE中Valid标志位未设置，会导致立即触发page fault，这样的结果好过内存越界之后造成的数据混乱。立即触发一个panic（也就是page fault），你就知道kernel stack出错了。同时我们也又不想浪费物理内存给Guard page，所以Guard page不会映射到任何物理内存，它只是占据了虚拟地址空间的一段靠后的地址。 同时，kernel stack被映射了两次，在靠后的虚拟地址映射了一次，在PHYSTOP下的Kernel data中又映射了一次，但是实际使用的时候用的是上面的部分，因为有Guard page会更加安全。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MK_UbCc81Y4Idzn55t8%2F-MKbZEkzbzbKYgRRedXU%2Fimage.png?alt=media\&token=2167acef-e76c-4d0c-81b0-f5175475793f) 这是众多你可以通过page table实现的有意思的事情之一。你可以向同一个物理地址映射两个虚拟地址，你可以不将一个虚拟地址映射到物理地址。可以是一对一的映射，一对多映射，多对一映射。XV6至少在1-2个地方用到类似的技巧。这的kernel stack和Guard page就是XV6基于page table使用的有趣技巧的一个例子。 第二件事情是权限。例如Kernel text page被标位R-X，意味着你可以读它，也可以在这个地址段执行指令，但是你不能向Kernel text写数据。通过设置权限我们可以尽早的发现Bug从而避免Bug。对于Kernel data需要能被写入，所以它的标志位是RW-，但是你不能在这个地址段运行指令，所以它的X标志位未被设置。（注，所以，kernel text用来存代码，代码可以读，可以运行，但是不能篡改，kernel data用来存数据，数据可以读写，但是不能通过数据伪装代码在kernel中运行） ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MKb_jHb6u2XMiYkH2i0%2F-MKeHhKXkn4VMBskZjDS%2Fimage.png?alt=media\&token=64e16ad2-c25b-4535-bb67-cc340934c027) > 学生提问：对于不同的进程会有不同的kernel stack吗？ > > Frans：答案是的。每一个用户进程都有一个对应的kernel stack > > 学生提问：用户程序的虚拟内存会映射到未使用的物理地址空间吗？ > > Frans教授：在kernel page table中，有一段Free Memory，它对应了物理内存中的一段地址。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MKb_jHb6u2XMiYkH2i0%2F-MKeJFYcE1NyVZ0QMc67%2Fimage.png?alt=media\&token=2bdc7a95-2b87-4c3e-ab06-76120962ec67) > XV6使用这段free memory来存放用户进程的page table，text和data。如果我们运行了非常多的用户进程，某个时间点我们会耗尽这段内存，这个时候fork或者exec会返回错误。 > > 同一个学生提问：这就意味着，用户进程的虚拟地址空间会比内核的虚拟地址空间小的多，是吗？ > > Frans教授：本质上来说，两边的虚拟地址空间大小是一样的。但是用户进程的虚拟地址空间使用率会更低。 > > 学生提问：如果多个进程都将内存映射到了同一个物理位置，这里会优化合并到同一个地址吗？ > > Frans教授：XV6不会做这样的事情，但是page table实验中有一部分就是做这个事情。真正的操作系统会做这样的工作。当你们完成了page table实验，你们就会对这些内容更加了解。 （以下问答来自这节课程结束部分，因为内容相关就移过来了） > 学生提问：每个进程都会有自己的3级树状page table，通过这个page table将虚拟地址翻译成物理地址。所以看起来当我们将内核虚拟地址翻译成物理地址时，我们并不需要kernel的page table，因为进程会使用自己的树状page table并完成地址翻译（注，不太理解这个问题点在哪）。 > > Frans教授：当kernel创建了一个进程，针对这个进程的page table也会从Free memory中分配出来。内核会为用户进程的page table分配几个page，并填入PTE。在某个时间点，当内核运行了这个进程，内核会将进程的根page table的地址加载到SATP中。从那个时间点开始，处理器会使用内核为那个进程构建的虚拟地址空间。 > > 同一个学生提问：所以内核为进程放弃了一些自己的内存，但是进程的虚拟地址空间理论上与内核的虚拟地址空间一样大，虽然实际中肯定不会这么大。 > > Frans教授：是的，下图是用户进程的虚拟地址空间分布，与内核地址空间一样，它也是从0到MAXVA。 ![](https://1977542228-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-MHZoT2b_bcLghjAOPsJ%2F-MKlssQnZeSx7lgksqSn%2F-MKopGK-JjubGvX84-qy%2Fimage.png?alt=media\&token=0084006f-eedf-44ac-b93e-a12c936e0cc0) > 它有由内核设置好的，专属于进程的page table来完成地址翻译。 > 学生提问：但是我们不能将所有的MAXVA地址都使用吧？ > > Frans教授：是的我们不能，这样我们会耗尽内存。大多数的进程使用的内存都远远小于虚拟地址空间。 --- # Agent Instructions: Querying This Documentation If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question. Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter: ``` GET https://mit-public-courses-cn-translatio.gitbook.io/mit6-s081/lec04-page-tables-frans/4.5-kernel-page-table.md?ask= ``` The question should be specific, self-contained, and written in natural language. The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation. Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.