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内存管理

RISC-V 提供了灵活的内存管理机制，支持虚拟内存和物理内存的管理。本章介绍 RISC-V 的内存管理单元（MMU）和页表机制。

内存管理概述​

地址空间​

RISC-V 支持两种地址空间：

  • 物理地址空间：实际的硬件内存地址
  • 虚拟地址空间：程序看到的逻辑地址

地址翻译​

内存管理单元（MMU）负责将虚拟地址翻译为物理地址：

虚拟地址 -> MMU -> 物理地址

地址翻译模式​

RISC-V 支持多种地址翻译模式，通过 satp 寄存器的 MODE 字段选择：

MODE名称虚拟地址位数物理地址位数
0Bare无翻译-
8Sv393956
9Sv484856
10Sv575756

裸机模式（Bare Mode）​

MODE = 0 时，不进行地址翻译，虚拟地址等于物理地址：

# 设置裸机模式
csrw satp, zero

Sv39 模式​

Sv39 使用 39 位虚拟地址，支持 512 GB 的虚拟地址空间：

虚拟地址格式（39位）：
[38:30] VPN[2] - 二级页表索引（9位）
[29:21] VPN[1] - 一级页表索引（9位）
[20:12] VPN[0] - 零级页表索引（9位）
[11:0]  Offset - 页内偏移（12位）

Sv48 模式​

Sv48 使用 48 位虚拟地址，支持 256 TB 的虚拟地址空间：

虚拟地址格式（48位）：
[47:39] VPN[3] - 三级页表索引（9位）
[38:30] VPN[2] - 二级页表索引（9位）
[29:21] VPN[1] - 一级页表索引（9位）
[20:12] VPN[0] - 零级页表索引（9位）
[11:0]  Offset - 页内偏移（12位）

页表结构​

页表项（PTE）​

每个页表项为 64 位，包含物理页号和权限信息：

页表项格式（64位）：
[63:54] 保留
[53:10] PPN - 物理页号（44位）
[9:8]   RSW - 保留给软件使用
[7]     D - 脏位（Dirty）
[6]     A - 访问位（Accessed）
[5]     G - 全局映射
[4]     U - 用户模式可访问
[3]     X - 可执行
[2]     W - 可写
[1]     R - 可读
[0]     V - 有效位

权限位说明​

位名称描述
VValid页表项有效
RRead可读权限
WWrite可写权限
XExecute可执行权限
UUser用户模式可访问
GGlobal全局映射（ASID 无关）
AAccessed页面被访问过
DDirty页面被写过

权限组合​

RWX描述
000指向下一级页表
001只执行
010只读（保留）
011读执行
100只读
101读执行
110读写
111读写执行

多级页表​

Sv39 页表结构​

Sv39 使用三级页表：

虚拟地址 -> VPN[2] -> 页表2 -> VPN[1] -> 页表1 -> VPN[0] -> 页表0 -> 物理页

地址翻译流程：

  1. 从 satp 获取根页表地址
  2. 使用 VPN[2] 索引二级页表
  3. 获取一级页表地址
  4. 使用 VPN[1] 索引一级页表
  5. 获取零级页表地址
  6. 使用 VPN[0] 索引零级页表
  7. 获取物理页号
  8. 组合页内偏移得到物理地址

页表遍历示例​

# Sv39 地址翻译示例
# 虚拟地址：0x0000000012345678

# 提取 VPN
# VPN[2] = (va >> 30) & 0x1FF = 0
# VPN[1] = (va >> 21) & 0x1FF = 0x91
# VPN[0] = (va >> 12) & 0x1FF = 0x345
# Offset = va & 0xFFF = 0x678

# 翻译过程
# 1. 读取 satp 获取根页表物理地址
csrr t0, satp
slli t0, t0, 12      # PPN << 12 = 物理地址

# 2. 索引二级页表
li   t1, 0           # VPN[2] = 0
slli t1, t1, 3       # * 8（每个 PTE 8 字节）
add  t0, t0, t1
ld   t2, 0(t0)       # 读取 PTE

# 3. 检查有效位
andi t3, t2, 1
beqz t3, page_fault

# 4. 获取一级页表地址
srli t0, t2, 10
slli t0, t0, 12

# 5. 索引一级页表
li   t1, 0x91        # VPN[1]
slli t1, t1, 3
add  t0, t0, t1
ld   t2, 0(t0)

# 6. 获取零级页表地址
srli t0, t2, 10
slli t0, t0, 12

# 7. 索引零级页表
li   t1, 0x345       # VPN[0]
slli t1, t1, 3
add  t0, t0, t1
ld   t2, 0(t0)

# 8. 获取物理页号
srli t0, t2, 10
slli t0, t0, 12

# 9. 组合偏移
ori  t0, t0, 0x678   # 物理地址

TLB（Translation Lookaside Buffer）​

TLB 是页表的硬件缓存，加速地址翻译。

TLB 结构​

TLB 缓存虚拟页号到物理页号的映射：

+----------------+----------------+-------+
| 虚拟页号 (VPN) | 物理页号 (PPN) | 权限  |
+----------------+----------------+-------+

TLB 刷新​

修改页表后需要刷新 TLB：

# 刷新所有 TLB 条目
sfence.vma zero, zero

# 刷新特定虚拟地址的 TLB 条目
sfence.vma a0, zero    # a0 = 虚拟地址

# 刷新特定 ASID 的 TLB 条目
sfence.vma zero, a0    # a0 = ASID

# 刷新特定虚拟地址和 ASID 的 TLB 条目
sfence.vma a0, a1      # a0 = 虚拟地址, a1 = ASID

地址空间标识符（ASID）​

ASID 用于区分不同进程的地址空间，避免切换进程时刷新整个 TLB。

ASID 配置​

satp 寄存器包含 ASID 字段：

satp 寄存器：
[63:60] MODE - 地址翻译模式
[59:44] ASID - 地址空间标识符（16位）
[43:0]  PPN - 根页表物理页号

设置 ASID​

# 设置 ASID 和页表
li   t0, (8 << 60)    # Sv39 模式
ori  t0, t0, (1 << 44) # ASID = 1
ori  t0, t0, page_table_ppn
csrw satp, t0

内存属性​

物理内存属性（PMA）​

PMA 定义物理内存区域的属性：

  • 是否可缓存
  • 是否支持原子操作
  • 访问宽度限制

物理内存保护（PMP）​

PMP 提供更细粒度的内存访问控制：

PMP 寄存器

  • pmpcfg0-pmpcfg15：配置寄存器
  • pmpaddr0-pmpaddr63：地址寄存器

PMP 配置

pmpcfg 格式：
[7]   L - 锁定位
[5:4] A - 地址匹配模式
       00 = OFF（禁用）
       01 = TOR（上界）
       10 = NA4（4字节对齐）
       11 = NAPOT（幂等对齐区域）
[2]   X - 可执行
[1]   W - 可写
[0]   R - 可读

PMP 配置示例​

# 配置 PMP 区域 0：允许所有访问
li   t0, 0x1F         # L=0, A=NA4, R=W=X=1
csrw pmpcfg0, t0
li   t0, 0xFFFFFFFF
csrw pmpaddr0, t0

# 配置 PMP 区域 1：只读区域
li   t0, (1 << 7) | (2 << 4) | 1  # L=1, A=NAPOT, R=1
csrw pmpcfg0, t0

页错误处理​

页错误类型​

异常码名称描述
12Instruction page fault指令页错误
13Load page fault加载页错误
15Store/AMO page fault存储页错误

页错误信息​

发生页错误时：

  • mepc（或 sepc）：触发错误的指令地址
  • mcause（或 scause）：异常原因
  • mtval（或 stval）：触发错误的虚拟地址

页错误处理​

page_fault_handler:
    # 读取错误地址
    csrr a0, mtval
    
    # 读取错误原因
    csrr a1, mcause
    
    # 分配新页面
    call allocate_page
    
    # 更新页表
    call update_page_table
    
    # 刷新 TLB
    sfence.vma a0, zero
    
    # 返回
    j trap_exit

内存管理示例​

初始化页表​

// C 代码
#define PAGE_SIZE 4096
#define PTE_V (1 << 0)
#define PTE_R (1 << 1)
#define PTE_W (1 << 2)
#define PTE_X (1 << 3)
#define PTE_U (1 << 4)

typedef unsigned long pte_t;

// 创建简单的恒等映射
void setup_page_table(pte_t* page_table) {
    // 映射前 1MB 物理内存
    for (int i = 0; i < 256; i++) {
        pte_t pte = (i << 10) | PTE_V | PTE_R | PTE_W | PTE_X;
        page_table[i] = pte;
    }
}

启用虚拟内存​

# 启用 Sv39 虚拟内存
enable_vm:
    # 设置页表
    la   t0, page_table
    srli t0, t0, 12      # 获取 PPN
    li   t1, (8 << 60)   # Sv39 模式
    or   t0, t0, t1
    csrw satp, t0
    
    # 刷新 TLB
    sfence.vma zero, zero
    
    ret

小结​

本章介绍了 RISC-V 内存管理：

  • 地址翻译模式：Bare、Sv39、Sv48、Sv57
  • 页表结构：页表项格式和权限位
  • 多级页表：Sv39 三级页表翻译流程
  • TLB：地址翻译缓存和刷新
  • ASID：地址空间标识符
  • 内存保护：PMP 物理内存保护
  • 页错误处理：缺页异常处理

内存管理是操作系统内核的核心功能，理解这些机制对于开发操作系统和系统软件至关重要。