操作系统启动过程中，如何完成物理地址到虚拟地址的转换？虚拟地址又是如何翻译成物理地址的？

以qemu-system-riscv64为例，opensbi会将内核搬到内存0x80200000的位置，如果内核的.ld链接文件也是以0x80200000开始，那么人畜无害，操作系统一直在物理地址下运行，可以作为RTOS简单控制。但如果要开启虚拟地址，要做什么操作呢？

1. 物理地址到虚拟地址的转换？

首先我们在链接的时候，需要修改.ld的基址，0x80200000修改为想要内核运行的虚拟地址下，比如0xFFFFFFFFC0200000。这样一来opensbi还是会将内核搬到0x80200000的位置，如果继续执行，pc会跳转到一个0xFFFFFFFFC0200000以上的位置，远远超过了物理内存地址，必然报错。那么还需要做什么设置呢？

开启虚拟内存。CSR中有个satp（Supervisor Address Translation and Protection Register）寄存器，它的结构如下：

satp

最高4位表示寻址模式：

  • 0000表示不适用页表，直接用物理地址，用于简单的嵌入式系统。
  • 1000表示Sv39页表，也是接下来要说明的，虚拟内存空间为512GB。
  • 1001表示Sv48，比Sv39多一级，虚拟内存空间为256TB。

将satp的模式切换到Sv39，并且设置指向首级页表的地址PPN，最后执行sfence.vma刷新TLB，即可使用虚拟地址。

当然在此之前，还需要设置页表。页表可以在入口代码处提前设置，然后将其起始地址赋值给satp.PPN。

2. 虚拟地址如何转换为物理地址？

开启Sv39后，假设初始化函数的入口地址VA是0xffffffffc0200032，该地址如何转换成物理地址呢？先看虚拟地址的结构图： image.png

首先会访问satp获得页表的基地址，比如0x80205，将该地址左移12位后，和虚拟地址的VPN[2]左移3位相加（一个页表项占8字节），以0xffffffffc0200032为例，VPN[2]=111111111，VPN[1]=000000001，VPN[0]=000000000，page offset=000110010。

第一级页表项位置：0x80205<<12 + 111111111<<3 = 0x80205ff8，页表项的结构图如下： image.png

  • V为Valid位，D位Dirty位，A为Accessed位
  • RWX表示可读，可写，可执行位
  • RWX如果全0，那么该页表项需要指向下一级页表

假设0x80205ff8的页表项PTE已设置，PTE.PPN=0x80000，PTE.XWRV=1111，那么该页表项不是指向下一级页表，可以直接转换物理地址，这时需要不但需要虚拟地址的page offset，还需要VPN[1]和VPN[0]：

PA = 0x80000<<12 + VA[29:0] = 0x80200032

即完成了虚拟地址和物理地址的转换。

3. 小结

物理地址切换虚拟地址模式：

  • 分配页表内存空间，初始化页表；
  • 设置页基址寄存器satp；
  • 刷新TLB

虚拟地址转换物理地址：

  • 第一级页表项PTE1 = satp.PPN<<12 + VA.VPN2<<3 ；如果可RWX，物理地址PA=PTE1.PPN<<12+VA[29:0]，如果RWX全0，进入下一级。
  • 第二级页表项PTE2 = PTE1.PPN<<12 + VA.VPN1<<3；如果可RWX，物理地址PA=PTE2.PPN<<12+VA[20:0]，如果RWX全0，进入下一级。
  • 第三级页表项PTE3 = PTE2.PPN<<12 + VA.VPN0<<3；如果可RWX，物理地址PA=PTE3.PPN<<12+VA[11:0]

标签: riscv, mmu

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