RISCV Linux 虛擬內存精講系列一 Sv39

? ? ? ? 筆者認為，Linux 操作系統（Operating System）最核心的機制是虛擬內存（Virtual Memory）。因為，操作系統主要作用是將硬件環境抽象起來，給在其中運行的應用（Applications）提供一個統一的、抽象的運行環境（Execution Environment），使得應用（Applications）專注于為用戶提供各種各樣的業務邏輯（Business Logics）。其中，虛擬內存提供了核心的支撐作用。

? ? ? ? 從下（底層，baremetal）往上看，運行的程序與外界交互，主要是與主存（Main Memory）、外圍設備（Peripheral Devices）交互（Access，Read/Write，IO）都是通過對其對應的地址（Addresses）進行讀寫操作（Read/Write Operations）來實現的。

? ? ? ? 而操作系統為了統一管理與外界的交互，使得，在操作系統上運行的應用（Applications）需要間接地（Indrectly）實現地址的訪問，也就是通過操作系統來實現交互。那么，虛擬內存就提供了這么一個機制，通過不同的頁表（Page Table）為每個應用提供一個獨立的地址空間（Address Space），然后，該地址空間的地址，通過對應的頁表，轉換成實際的物理地址（Physical Address），從而，對外界進行訪問。

? ? ? ? 這里所說的虛擬地址（Virtual Address, VA），主要指的 CPU load/store/branch 等指令所使用的地址。而物理地址（Physical Address, PA），主要指的是SoC上的總線地址，即經過總線的路由（Routing）后，指派到對應的設備上。

? ? ? ? 也就是說，在沒有虛擬地址轉換時，虛擬地址等于物理地址。

? ? ? ? 基于上述概念，以 RISCV Linux 以及 RISCV Sv39 為例，通過一系列的文章，詳細地梳理清楚在 RISCV Sv39 上，Linux 是如何實現其虛擬內存機制的。

? ? ? ? （順便提一句，vmlinux 中的 vm，就是 virtual memory 的縮寫）

? ? ? ? 這是該系列的第一篇文章，主要講述 RISCV Sv39。

? ? ? ? RISCV Sv39 指 64 位的 RISCV CPU 中，其有效虛擬地址位數為 39 位，也就是有效位（Effective bits）為 0 - 38，另，39 - 64 的值與 bit 38 一樣。也就是 Two's Complement 的計數方式，方便地址的計算與劃分。

The RISC-V Instruction Set Manual: Volume II Privileged Architecture. P 11.4.
????????Instruction fetch addresses and load and store effective addresses,which are 64 bits, must have bits 63–39 all equal to bit 38, or else a page-fault exception will occur.
????????The 27-bit VPN is translated into a 44-bit PPN via a three-level page table, while the 12-bit page offset is untranslated.

? ? ? ? 即，根據RISCV Sv39 規定，39位有效虛擬地址被劃分為4段，高位三段為虛擬頁表索引號（Virtual Page Number），低12位為頁表偏移量（Page Offset）。

? ? ? ? 另外，Sv39 規定，物理地址有效位數為 56 位，即 0 - 55。如下：

? ? ? ? 另外，頁表項 PTE （Page Table Entry）的設計，如下：

? ? ? ? 這里需要注意的是，在RISCV 64 位的CPU角度上看，其訪問的地址（Virtual Address）是64位的。當 CPU 中的虛擬地址轉換模式（Virtual Address Translation Mode）被選定后，如 Sv39，那么，64位的CPU訪問地址（CPU Access Virtual Address），將裝換成虛擬地址轉換模式指定的虛擬地址，如 Sv39 虛擬地址（Sv39 Virtual address）。其轉換規則由其轉換模式規定，如Sv39 規定，低39位CPU訪問地址有效，高位值必須等于 bit 38，類似符號擴展（sign extension）。基于，轉換模式，可以找到其對應的虛擬地址轉換模式指定的物理地址，如 Sv39 物理地址（Sv39 Physical Address），56位有效位的物理地址。然后，通過 0 擴展模式（zero extension）將其裝換成機器級（machine level）物理地址（physical address），也就是上面所說的SoC總線地址（Bus Address）。

? ? ? ? 也就是，從CPU角度出發，地址的轉換如下：

虛擬地址（Virtual Address, VA）/?CPU訪問地址（CPU Access Virtual Address）/ 邏輯地址（Logical Address )

-- 符號擴展（sign extension）--

????????==>?Sv39 虛擬地址（Sv39 Virtual address）（VPN + Page Offset）

-- 虛擬地址轉換模式 --

????????==>?Sv39 物理地址（Sv39 Physical Address）（PPN + Page Offset）

-- 0 擴展模式（zero extension）--

????????==> 機器級（machine level）物理地址（physical address, PA）/?SoC總線地址（Bus Address）

????????通過 S mode 下的 satp 控制狀態寄存器（Control Status Register, CSR），設定虛擬地址轉換模式，如 Sv39，即物理根頁表號（Root PPN），如下：

? ? ? ? 其轉換過程如下：

? ? ? ? 其中，虛擬地址到物理地址的轉換過程，大致如下：（在不考慮PTE屬性的情況下）

#define XLEN (64) // 64 bits RISCV CPU
#define BITS_IN_BYTE (8) // 1 Byte = 8 bits
#define SATP_PPN_MASK (0x0fff'ffff'ffff)
#define PAGE_SIZE_BITS (12) // 4KB per page
#define PAGE_SIZE (1 << PAGE_SIZE_BITS)
#define PTE_SIZE (XLEN / BITS_IN_BYTE) // 8 Bytes per PTE
#define PTE_ENTRIES_PER_PAGE (PAGE_SIZE / PTE_SIZE) // 512 entries per page
#define Level_0_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9 + 9)
#define Level_1_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9)
#define Level_2_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS)PTE* level_0_page_table = (satp & SATP_PPN_MASK) << PAGE_SIZE_BITS
PTE* level_1_page_table = level_0_page_table[(va >> (Level_0_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
PTE* level_2_page_table = level_1_page_table[(va >> (Level_1_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
PTE* leaf_PTE = level_2_page_table[(va >> (Level_2_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
void * pa = leaf_PTE.ppn << Level_2_VA_OFFSET_BITS + (va & (1 << Level_2_VA_OFFSET_BITS - 1))

? ? ? ? 具體的轉換過程，請參考官方手冊。

? ? ? ? 其中，當 PTE 在 level_0_page_table 時，就是葉表項（leaf_pte），那么該 PTE 描述的 1GB的空間（30 Bits），即

#define XLEN (64) // 64 bits RISCV CPU
#define BITS_IN_BYTE (8) // 1 Byte = 8 bits
#define SATP_PPN_MASK (0x0fff'ffff'ffff)
#define PAGE_SIZE_BITS (12) // 4KB per page
#define PAGE_SIZE (1 << PAGE_SIZE_BITS)
#define PTE_SIZE (XLEN / BITS_IN_BYTE) // 8 Bytes per PTE
#define PTE_ENTRIES_PER_PAGE (PAGE_SIZE / PTE_SIZE) // 512 entries per page
#define Level_0_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9 + 9)
#define Level_1_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9)
#define Level_2_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS)PTE* level_0_page_table = (satp & SATP_PPN_MASK) << PAGE_SIZE_BITS
PTE* leaf_PTE = level_0_page_table[(va >> (Level_0_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
void * pa = leaf_PTE.ppn << Level_0_VA_OFFSET_BITS + (va & (1 << Level_0_VA_OFFSET_BITS - 1))

? ? ? ? 同理，當 PTE 在 level_1_page_table 時，就是葉表項（leaf_pte），那么該 PTE 描述的 2MB的空間（21 Bits），即

#define XLEN (64) // 64 bits RISCV CPU
#define BITS_IN_BYTE (8) // 1 Byte = 8 bits
#define SATP_PPN_MASK (0x0fff'ffff'ffff)
#define PAGE_SIZE_BITS (12) // 4KB per page
#define PAGE_SIZE (1 << PAGE_SIZE_BITS)
#define PTE_SIZE (XLEN / BITS_IN_BYTE) // 8 Bytes per PTE
#define PTE_ENTRIES_PER_PAGE (PAGE_SIZE / PTE_SIZE) // 512 entries per page
#define Level_0_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9 + 9)
#define Level_1_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9)
#define Level_2_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS)PTE* level_0_page_table = (satp & SATP_PPN_MASK) << PAGE_SIZE_BITS
PTE* level_1_page_table = level_0_page_table[(va >> (Level_0_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
PTE* leaf_PTE = level_1_page_table[(va >> (Level_1_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
void * pa = leaf_PTE.ppn << Level_1_VA_OFFSET_BITS + (va & (1 << Level_1_VA_OFFSET_BITS - 1))

? ? ? ? 那么，基于 RISCV Sv39 的虛擬地址轉換模式大致上如上所示。

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