PowCoder代写代考 RV64 虚拟内存管理

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# Lab 4: RV64 虚拟内存管理

* 学习虚拟内存的相关知识，实现物理地址到虚拟地址的切换。
* 了解 RISC-V 架构中 SV39 分页模式，实现虚拟地址到物理地址的映射，并对不同的段进行相应的权限设置。
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* Docker in Lab0

### 3.0 前言
在 [lab3](./lab3.md) 中我们赋予了 OS 对多个线程调度以及并发执行的能力，由于目前这些线程都是内核线程，因此他们可以共享运行空间，即运行不同线程对空间的修改是相互可见的。但是如果我们需要线程相互**隔离**，以及在多线程的情况下更加**高效**的使用内存，我们必须引入`虚拟内存`这个概念。

虚拟内存可以为正在运行的进程提供独立的内存空间，制造一种每个进程的内存都是独立的假象。同时虚拟内存到物理内存的映射也包含了对内存的访问权限，方便 Kernel 完成权限检查。

在本次实验中，我们需要关注 OS 如何**开启虚拟地址**以及通过设置页表来实现**地址映射**和**权限控制**。

### 3.1 Kernel 的虚拟内存布局

start_address end_address
0x0 0x3fffffffff
│ │
┌────┘ ┌─────┘
↓ 256G ↓
┌───────────────────────┬──────────┬────────────────┐
│ User Space │ … │ Kernel Space │
└───────────────────────┴──────────┴────────────────┘
↑ 256G ↑
┌─────────────┘ │
│ │
0xffffffc000000000 0xffffffffffffffff
start_address end_address
通过上图我们可以看到 RV64 将 `0x0000004000000000` 以下的虚拟空间作为 `user space`。 将 `0xffffffc000000000` 及以上的虚拟空间作为 `kernel space`。由于我们还未引入用户态程序，目前我们只需要关注 `kernel space`。

具体的虚拟内存布局可以[参考这里](https://elixir.bootlin.com/linux/v5.15/source/Documentation/riscv/vm-layout.rst)

在 `kernel space` 中有一段区域被称为 `direct mapping area`， 为了方便 kernel 可以高效率的访问 RAM， kernel 会预先把所有物理内存都映射至这一块区域 ( PA + OFFSET == VA )， 这种映射也被称为 `linear mapping`。在 RISC-V Linux Kernel 中这一段区域为 `0xffffffe000000000 ~ 0xffffffff00000000`, 共 124 GB 。

### 3.2 RISC-V Virtual-Memory System (Sv39)
#### 3.2.1 `satp` Register（Supervisor Address Translation and Protection Register）
63 60 59 44 43 0
———————————————————————
| MODE | ASID | PPN |
———————————————————————

* MODE 字段的取值如下图：
———————————————————-
| Value | Name | Description |
|———————————————————-|
| 0 | Bare | No translation or protection |
| 1 – 7 | — | Reserved for standard use |
| 8 | Sv39 | Page-based 39 bit virtual addressing | <-- 我们使用的mode | 9 | Sv48 | Page-based 48 bit virtual addressing | | 10 | Sv57 | Page-based 57 bit virtual addressing | | 11 | Sv64 | Page-based 64 bit virtual addressing | | 12 - 13 | --- | Reserved for standard use | | 14 - 15 | --- | Reserved for standard use | ----------------------------------------------------------- * ASID ( Address Space Identifier ) ： 此次实验中直接置 0 即可。 * PPN ( Physical Page Number ) ：顶级页表的物理页号。我们的物理页的大小为 4KB， PA >> 12 == PPN。
* 具体介绍请阅读 [RISC-V Privileged Spec 4.1.10](https://www.five-embeddev.com/riscv-isa-manual/latest/supervisor.html#sec:satp)

#### 3.2.2 RISC-V Sv39 Virtual Address and Physical Address
38 30 29 21 20 12 11 0
———————————————————————
| VPN[2] | VPN[1] | VPN[0] | page offset |
———————————————————————
Sv39 virtual address

55 30 29 21 20 12 11 0
—————————————————————————–
| PPN[2] | PPN[1] | PPN[0] | page offset |
—————————————————————————–
Sv39 physical address

* Sv39 模式定义物理地址有 56 位，虚拟地址有 64 位。但是，虚拟地址的 64 位只有低 39 位有效，通过 虚拟内存布局图我们可以发现 其 63-39 位 为 0 时代表 user space address， 为 1 时 代表 kernel space address。Sv39 支持三级页表结构，VPN[2-0](Virtual Page Number)分别代表每级页表的`虚拟页号`，PPN[2-0](Physical Page Number)分别代表每级页表的`物理页号`。物理地址和虚拟地址的低12位表示页内偏移（page offset）。
* 具体介绍请阅读 [RISC-V Privileged Spec 4.4.1](https://www.five-embeddev.com/riscv-isa-manual/latest/supervisor.html#sec:sv39)

#### 3.2.3 RISC-V Sv39 Page Table Entry
63 54 53 28 27 19 18 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
———————————————————————–
| Reserved | PPN[2] | PPN[1] | PPN[0] | RSW |D|A|G|U|X|W|R|V|
———————————————————————–
| | | | | | | | |
| | | | | | | | `—- V – Valid
| | | | | | | `—— R – Readable
| | | | | | `——– W – Writable
| | | | | `———- X – Executable
| | | | `———— U – User
| | | `————– G – Global
| | `—————- A – Accessed
| `—————— D – Dirty (0 in page directory)
`———————- Reserved for supervisor software

* 0 ～ 9 bit: protection bits
* V : 有效位，当 V = 0, 访问该PTE会产生Pagefault。
* R : R = 1 该页可读。
* W : W = 1 该页可写。
* X : X = 1 该页可执行。
* U , G , A , D , RSW 本次实验中设置为 0 即可。
* 具体介绍请阅读 [RISC-V Privileged Spec 4.4.1](https://www.five-embeddev.com/riscv-isa-manual/latest/supervisor.html#sec:sv39)

#### 3.2.4 RISC-V Address Translation
虚拟地址转化为物理地址流程图如下，具体描述见 [RISC-V Privileged Spec 4.3.2](https://www.five-embeddev.com/riscv-isa-manual/latest/supervisor.html#sv32algorithm) :
Virtual Address Physical Address

9 9 9 12 55 12 11 0
┌────────────────┬────────────┬────────────┬─────────────┬────────────────┐ ┌────────────┬──────────┐
│ │ VPN[2] │ VPN[1] │ VPN[0] │ OFFSET │ │ PPN │ OFFSET │
└────────────────┴────┬───────┴─────┬──────┴──────┬──────┴───────┬────────┘ └────────────┴──────────┘
│ │ │ │ ▲ ▲
│ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │
┌────────────────────────┘ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ └─────────────────┼──────────┘
│ ┌─────────────────┐ │ │ │
│511 │ │ ┌────────────┘ │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ │ │ ┌─────────────────┐ │ │
│ │ │ │ 511 │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │ ┌─────────────────┐ │
│ │ 44 10 │ │ │ │ │ 511 │ │ │
│ ├────────┬────────┤ │ │ │ │ │ │ │
└───►│ PPN │ flags │ │ │ │ │ │ │ │
├────┬───┴────────┤ │ │ 44 10 │ │ │ │ │
│ │ │ │ ├────────┬────────┤ │ │ │ │
│ │ │ └────►│ PPN │ flags │ │ │ │ │
│ │ │ ├────┬───┴────────┤ │ │ 44 10 │ │
│ │ │ │ │ │ │ ├────────┬────────┤ │
1 │ │ │ │ │ │ └────►│ PPN │ flags │ │
│ │ │ │ │ │ ├────┬───┴────────┤ │
0 │ │ │ │ │ │ │ │ │ │
└────┼────────────┘ 1 │ │ │ │ │ │ │
▲ │ │ │ │ │ └────────────┼────────┘
│ │ 0 │ │ │ │ │
│ └────────────────────►└────┼────────────┘ 1 │ │
│ │ │ │
┌───┴────┐ │ 0 │ │
│ satp │ └────────────────────►└─────────────────┘
└────────┘

### 4.1 准备工程
* 此次实验基于 lab3 同学所实现的代码进行。
* 需要修改 `defs.h`, 在 `defs.h` `添加` 如下内容：
#define OPENSBI_SIZE (0x200000)

#define VM_START (0xffffffe000000000)
#define VM_END (0xffffffff00000000)
#define VM_SIZE (VM_END – VM_START)

#define PA2VA_OFFSET (VM_START – PHY_START)
* 从 `repo` 同步以下代码: `vmlinux.lds.S`, `Makefile`。并按照以下步骤将这些文件正确放置。
   └── kernel
   ├── Makefile
   └── vmlinux.lds.S
这里我们通过 `vmlinux.lds.S` 模版生成 `vmlinux.lds`文件。链接脚本中的 `ramv` 代表 `LMA ( Virtual Memory Address )`即虚拟地址， `ram` 则代表 `LMA ( Load Memory Address )`, 即我们 OS image 被 load 的地址，可以理解为物理地址。使用以上的 vmlinux.lds 进行编译之后，得到的 `System.map` 以及 `vmlinux` 采用的都是虚拟地址，方便之后 Debug。

### 4.2 开启虚拟内存映射。
在 RISC-V 中开启虚拟地址被分为了两步： `setup_vm` 以及 `setup_vm_final`，下面将介绍相关的具体实现。
#### 4.2.1 `setup_vm` 的实现
* 将 0x80000000 开始的 1GB 区域进行两次映射，其中一次是等值映射 ( PA == VA ) ，另一次是将其映射至高地址 ( PA + PV2VA_OFFSET == VA )。如下图所示：
Physical Address
——————————————-
| OpenSBI | Kernel |
——————————————-
0x80000000
├───────────────────────────────────────────────────┐
| |
Virtual Address ↓ ↓
———————————————————————————————–
| OpenSBI | Kernel | | OpenSBI | Kernel |
———————————————————————————————–
^ ^
0x80000000 0xffffffe000000000
* 完成上述映射之后，通过 `relocate`函数，完成对 `satp`的设置，以及跳转到对应的虚拟地址。
* 至此我们已经完成了虚拟地址的开启，之后我们运行的代码也都将在虚拟地址上运行。
// arch/riscv/kernel/vm.c

/* early_pgtbl: 用于 setup_vm 进行 1GB 的 映射。 */
unsigned long early_pgtbl[512] __attribute__((__aligned__(0x1000)));

void setup_vm(void) {
1. 由于是进行 1GB 的映射 这里不需要使用多级页表
2. 将 va 的 64bit 作为如下划分： | high bit | 9 bit | 30 bit |
high bit 可以忽略
中间9 bit 作为 early_pgtbl 的 index
低 30 bit 作为 页内偏移 这里注意到 30 = 9 + 9 + 12， 即我们只使用根页表， 根页表的每个 entry 都对应 1GB 的区域。
3. Page Table Entry 的权限 V | R | W | X 位设置为 1

call setup_vm
call relocate

j start_kernel

# set ra = ra + PA2VA_OFFSET
# set sp = sp + PA2VA_OFFSET (If you have set the sp before)

######################
# YOUR CODE HERE #
######################

# set satp with early_pgtbl

######################
# YOUR CODE HERE #
######################

# flush tlb
sfence.vma zero, zero

.section .bss.stack
.globl boot_stack
boot_stack:

> Hint 1: `sfence.vma` 指令用于刷新 TLB
> Hint 2: 在 set satp 前，我们只可以使用**物理地址**来打断点。设置 satp 之后，才可以使用虚拟地址打断点，同时之前设置的物理地址断点也会失效，需要删除。

#### 4.2.2 `setup_vm_final` 的实现
* 由于 setup_vm_final 中需要申请页面的接口， 应该在其之前完成内存管理初始化， 可能需要修改 mm.c 中的代码，mm.c 中初始化的函数接收的起始结束地址需要调整为虚拟地址。
* 对 所有物理内存 (128M) 进行映射，并设置正确的权限。
Physical Address
PHY_START PHY_END
↓ ↓
——————————————————–
| OpenSBI | Kernel | |
——————————————————–
^ ^
0x80000000 └───────────────────────────────────────────────────┐
└───────────────────────────────────────────────────┐ |
| |
VM_START VM_END
Virtual Address ↓ ↓
—————————————————————————————————-
| OpenSBI | Kernel | |
—————————————————————————————————–
0xffffffe000000000

* 不再需要进行等值映射
* 不再需要将 OpenSBI 的映射至高地址，因为 OpenSBI 运行在 M 态， 直接使用的物理地址。
* 采用三级页表映射。
* 在 head.S 中 适当的位置调用 setup_vm_final 。
// arch/riscv/kernel/vm.c

/* swapper_pg_dir: kernel pagetable 根目录， 在 setup_vm_final 进行映射。 */
unsigned long swapper_pg_dir[512] __attribute__((__aligned__(0x1000)));

void setup_vm_final(void) {
memset(swapper_pg_dir, 0x0, PGSIZE);

// No OpenSBI mapping required

// mapping kernel text X|-|R|V
create_mapping(…);

// mapping kernel rodata -|-|R|V
create_mapping(…);

// mapping other memory -|W|R|V
create_mapping(…);

// set satp with swapper_pg_dir

YOUR CODE HERE

// flush TLB
asm volatile(“sfence.vma zero, zero”);

/* 创建多级页表映射关系 */
create_mapping(uint64 *pgtbl, uint64 va, uint64 pa, uint64 sz, int perm) {
pgtbl 为根页表的基地址
va, pa 为需要映射的虚拟地址、物理地址
perm 为映射的读写权限

创建多级页表的时候可以使用 kalloc() 来获取一页作为页表目录
可以使用 V bit 来判断页表项是否存在
### 4.3 编译及测试
– 由于加入了一些新的 .c 文件，可能需要修改一些Makefile文件，请同学自己尝试修改，使项目可以编译并运行。
OpenSBI v0.9
____ _____ ____ _____
/ __ \ / ____| _ \_ _|
| | | |_ __ ___ _ __ | (___ | |_) || |
| | | | ‘_ \ / _ \ ‘_ \ \___ \| _ < | | | |__| | |_) | __/ | | |____) | |_) || |_ \____/| .__/ \___|_| |_|_____/|____/_____| Boot HART MIDELEG : 0x0000000000000222 Boot HART MEDELEG : 0x000000000000b109 ...mm_init done! ...proc_init done! Hello RISC-V idle process is running! switch to [PID = 28 COUNTER = 1] [PID = 28] is running! thread space begin at 0xffffffe007fa2000 switch to [PID = 12 COUNTER = 1] [PID = 12] is running! thread space begin at 0xffffffe007fb2000 switch to [PID = 14 COUNTER = 2] [PID = 14] is running! thread space begin at 0xffffffe007fb0000 [PID = 14] is running! thread space begin at 0xffffffe007fb0000 switch to [PID = 9 COUNTER = 2] [PID = 9] is running! thread space begin at 0xffffffe007fb5000 [PID = 9] is running! thread space begin at 0xffffffe007fb5000 switch to [PID = 2 COUNTER = 2] [PID = 2] is running! thread space begin at 0xffffffe007fbc000 [PID = 2] is running! thread space begin at 0xffffffe007fbc000 switch to [PID = 1 COUNTER = 2] [PID = 1] is running! thread space begin at 0xffffffe007fbd000 [PID = 1] is running! thread space begin at 0xffffffe007fbd000 switch to [PID = 29 COUNTER = 3] [PID = 29] is running! thread space begin at 0xffffffe007fa1000 [PID = 29] is running! thread space begin at 0xffffffe007fa1000 [PID = 29] is running! thread space begin at 0xffffffe007fa1000 switch to [PID = 11 COUNTER = 3] [PID = 11] is running! thread space begin at 0xffffffe007fb3000 1. 验证 `.text`, `.rodata` 段的属性是否成功设置，给出截图。 2. 为什么我们在 `setup_vm` 中需要做等值映射? 3. 在 Linux 中，是不需要做等值映射的。请探索一下不在 `setup_vm` 中做等值映射的方法。 同学需要提交实验报告以及整个工程代码。在提交前请使用 `make clean` 清除所有构建产物。

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