XV6

X86 处理器在进入保护模式之后，仅仅启用分段内存管理机制，分页机制还未开启。 如果启用分页硬件机制并结合软件的换页技术可以实现虚拟内存，从而让进程的编程空间可以大于系统的物理内存。OS 提供虚存管理后，使得多任务执行环境下的应用程序编程者对内存的使用更加简单和有效方便。

由于 XV6 在启动时使用了 X86 硬件的大页模式，后续运行是采用 4 KB 页，因此读者需要对两种模式都有一些认识。

64 位 CR0 寄存器的定义如下，当前关注的是 WP（Write Protect）位。

Bits	Mnemonic	Description	R/W
63~32	Reserved	Reserved, Must be Zero
31	PG	Paging	R/W
30	CD	Cache Disable	R/W
29	NW	Not Writethrough	R/W
28~19	Reserved	Reserved
18	AM	Alignment Mask	R/W
17	Reserved	Reserved
16	WP	Write Protect	R/W
15~6	Reserved	Reserved
5	NE	Numeric Error	R/W
4	ET	Extension Type	R
3	TS	Task Switched	R/W
2	EM	Emulation	R/W
1	MP	Monitor Coprocessor	R/W
0	PE	Protection Enabled	R/W

1. 小页模式

在 32 位系统上，两级页表机制，全局页目录 PGD（Page Global Directory）和页目录 PMD （Page Middle Directory），保存数据的页和保存页表项的物理页在管理上没有什么本质区别。在 64 位系统上需要经过 4 级页表。

页表内容由操作系统软件填写，而由地址硬件部件使用。页表虽由处理器地址部件使用，但却保存在 CPU 外部的内存上（近期常用的少量页表项保存在处理器内部的 TLB 中）。 每个进程有自己的全局页目录表 PGD，它通过进程控制块的成员 p->pgdir 指针来引用，实际上指向一个物理页帧。这个对应于 PGD 的页帧被看做一个类型为 pgd_t 类型的数组，例如 32 位 X86 中 4 KB 页帧包含数组元素有 1024 个，每个元素指向下一级页表（PMD）。进程切换时通过使用不同的 PGD 实现页表切换，从而让处理器看到相应的进程空间。X86 结构中是将切入进程的 p->pgdir 装入到处理器 CR3 寄存器来实现的。

PGD 表中的每一项各自指向一个物理页帧，该页帧称为 PMD，包含多个 pmd_t 类型的页中间目录 PMD 表项。每个 PMD 项各自指向一个物理页帧，该页帧称为 PD，每个 PD 包含多个 pte_t 类型的页表项 PTE（Page Table Entries）。每个 PTE 项通常最终指向一个用于保存数据或代码的物理页帧，当 PTE 无效时需要额外信息指出从磁盘什么位置可以读到该页内容，文件映射页是通过相应 VMA 的 vm_area_struct->vm_file 指出所在磁盘文件，而匿名页换出后则在 PTE 中保存换出位置。于是，每一个线性地址都分成几个部分，分别是 PGD 索引号、PMD 索引号以及页内偏移。

在 XV6 与页表处理相关的代码中，用 pde_t 表示一级页表的首地址，用 pte_t 统一表示页表的项，其实就是一个无符号整数。

需要注意线性地址（Linear Address）指的是属于当前处理器上正在运行的进程空间，p->pgdir 给出的是物理地址，pgd_t / pmd_t / pte_t 项保存的地址也都是物理地址。运行时操作系统需要为进程设定 p->pgdir、将 p->pgdir 写入到 CR3 寄存器以及修改各级页表内容。处理器发出的每一个虚地址访问过程中的地址转换过程都是由硬件完成的。

下面以 X86 系统为例说明虚地址转换成物理地址的过程。在不支持 PAE（Physical Address Extension）的 32 位 X86 机器上使用两层页表。物理页大小为 4 KB，物理内存大小为 2 GB，CR3 寄存器指向第 48 号页帧，最终读入 xyz 的值。

1. PDX 宏用于取得虚地址的页目录索引值（31~22 位），然后从 PGD 中根据该索引找到 PMD 物理地址。
2. PTX 宏用于获得虚地址的页表索引值（21~12 位），然后从 PMD 中找到 PTE。
3. PTE_PGADDR 取 PTE 的高 20 位得到物理地址。

页表项结构如下表

Bits	Mnemonic	Description
31~12	PFN	Physical Frame Number
11~9	AVL	Available for system use
8~7	Reserved	Reserved
6	D	Dirty（0 in page directory）
5	A	Accessed
4	CD	Cache Disabled
3	WT	1=Write-through, 0=Write-back
2	U	User
1	W	Writable
0	P	Present

页目录项和页表项唯一不同的就是 D 位（页目录项恒为 0）。

1. P 是存在（Present）标志，用于指明表项对地址转换是否有效。P=1表示有效；P=0 表示无效。在页转换过程中，如果说涉及的页目录或页表的表项无效，则会导致一个异常。如果 P=0，那么除了表示表项无效外，其余位可供程序自由使用。例如，操作系统可以使用这些位来保存已存储在磁盘上的页面的序号。
2. W 是写（Writable）标志。如果等于 1，表示页面可以被读、写或执行。如果为 0，表示页面只读或可执行。当处理器运行在超级用户特权级（级别 0、1 或 2）时，则 W 位不起作用。页目录项中的 W 位对其所映射的所有页面起作用。
3. U 是用户（User）标志。如果为 1，那么运行在任何特权级上的程序都可以访问该页面。如果为0，那么页面只能被运行在超级用户特权级（0、1 或 2）上的程序访问。页目录项中的 U 位对其所映射的所有页面起作用。
4. A 是已访问（Accessed）标志。当处理器访问页表项映射的页面时，页表项的这个标志就会被置为 1。当处理器访问页目录表项映射的任何页面时，页目录表项的这个标志就会被置为 1。处理器只负责设置该标志，操作系统可通过定期地复位该标志来统计页面的使用情况。
5. D 是页面已被修改（Dirty）标志。当处理器对一个页面执行写操作时，就会设置对应页表表项的 D 标志。处理器并不会修改页目录项中的 D 标志（恒为 0）。
6. AVL 字段保留专供程序使用。处理器不会修改这几位，以后的升级处理器也不会。

2. 大页模式

XV6 一开始进入保护模式时使用大页模式，每个页有 4 MB，因此程序发出的虚地址（线性地址）被划分成 10:22 两个部分，前面 10 bit 用来做页目录索引，后面用来做页内偏移。因此 XV6 只需要使用一级页表既可以完成虚实地址转换，每个页表只需要占用 4 KB 即可。

在页表转换过程中，如果 PGD 项指出是大页，则不需要后续转换。

CR4 控制寄存器，定义如下表，我们现在只关心其中的 PSE 位。

Bits	Mnemonic	Description	Access Type
63~19	Reserved	Reserved	Reserved
18	OSXSAVE	XSAVE and Processor Extended States Enable Bit	R/W
17~11	Reserved	Reserved	Reserved
10	OSUES	Operating System Unmasked Exception Support	R/W
9	OSFXSR	Operating System FXSAVE/FXRSTOR Support	R/W
8	PCE	Performance-Monitoring Counter Enable	R/W
7	PGE	Page-Global Enable	R/W
6	MCE	Machine Check Enable	R/W
5	PAE	Physical Address Extension	R/W
4	PSE	Page Size Extensions	R/W
3	DE	Debugging Extensions	R/W
2	TSD	Time Stamp Disable	R/W
1	PVI	Protected-Mode Virtual Interrupts	R/W
0	VME	Virtual-8086 Mode Extensions	R/W

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