MIT-JOS系列：用户态访问页表项详解

Posted 2021-02-17 sssaltyfish

在MIT-JOS lab4的实验中，为了能够在用户态自定义处理页面错误，我们必须要知道操作的页面的属性（是否当前用户具有读写权限、是否copy on write页面），这就需要查询指向当前物理页面的页表项和目录表项获取它的属性

在之前的实验中，我们已经通过e->env_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(e->env_pgdir) | PTE_P | PTE_U;修改UVPT的目录表项，用此操作允许用户读取任一页面的页表项，但没有对其进行详细解释，因此在lab4的应用中遇到了一些障碍：不知道具体是怎么用UVPT定位到一个页面对应的页表项。在这里，将对这个进行详细解释

定义梳理

解释原理前，首先列出各变量和宏的定义，以帮助说明和理解：

• uvpt：pte_t uvpt[] = UVPT;
• uvpd：pde_t uvpd[] = UVPT+(UVPT>>12)*4;

对线性地址la的分解如下：

// A linear address 'la' has a three-part structure as follows:
//
// +--------10------+-------10-------+---------12----------+
// | Page Directory |   Page Table   | Offset within Page  |
// |      Index     |      Index     |                     |
// +----------------+----------------+---------------------+
//  --- PDX(la) --/ --- PTX(la) --/ ---- PGOFF(la) ----/
//  ---------- PGNUM(la) ----------/

PGNUM(la)获取的是虚拟地址la是第几个虚拟页面

UVPT处的内存布局如下：

/*                     :              .               :                   
 *                     :              .               :                   
 *    MMIOLIM ------>  +------------------------------+ 0xefc00000
 *                     |       Memory-mapped I/O      | RW/--  PTSIZE
 * ULIM, MMIOBASE -->  +------------------------------+ 0xef800000
 *                     |  Cur. Page Table (User R-)   | R-/R-  PTSIZE
 *    UVPT      ---->  +------------------------------+ 0xef400000
 *                     |          RO PAGES            | R-/R-  PTSIZE
 *    UPAGES    ---->  +------------------------------+ 0xef000000
 *                     |           RO ENVS            | R-/R-  PTSIZE
 * UTOP,UENVS ------>  +------------------------------+ 0xeec00000
 *                     :              .               :                   
 *                     :              .               :                   
 */

UVPT占总共PTSIZE的物理内存，每一个页表项4个字节，总共有1024×1024个页表项，这一段足够索引到所有页表项。该段地址以只读权限开放给用户态的程序

虚拟地址与页表的对应关系

首先要明确一点，虽然一个虚拟页面映射到哪个物理页面是随系统分配的，但虚拟页面在页表中的结构总是固定的，例如第0个虚拟页面地址总是0-FFF，它总是对应页表目录的第0项和第0个二级页表的第0项。

页表目录、二级页表和各虚拟页面对应关系如图

页表目录中：

第0个页表项指向第0个二级页表，第0个二级页表映射第0-1023个虚拟页面，每一个条目记载该虚拟页面映射的物理页面的地址。关联第0个二级页表的所有虚拟地址la，其PDX(la)必为0，PDX(la)为0-FFF

第1个页表项指向第1个二级页表，第1个二级页表映射第1024-2047个虚拟页面。关联第1个二级页表的所有虚拟地址la，其PDX(la)必为1，PDX(la)为0-FFF

......

二级页表项访问

以访问uvpt[0]举例，假设当前页表目录为pgdir

uvpt[0]的虚拟地址为0xef400000，二进制为1110111101 0000000000 000000000000，其中第一部分是pdx=1110111101，第二部分是ptx=0，第三部分是pgoff=0

当访问uvpt[0]时：

1. 取出虚拟地址的PDX，查找页表目录的第pdx项，其值为pgdir[PDX(UVPT)]，指向当前页表目录所在的页面，因此找到的二级目录是页表目录
2. 取出PTX，查找页表目录的第ptx项（第0项），得到第0个二级目录所在的页面
3. 取出PGOFF，查找页面的第pgoff项（第0项），得到第0个二级目录的第0项，其值是一个页表项，对应第0个页面

可以看出若访问uvpt[n]，若将其虚拟地址拆分为pdx, ptx, pgoff, 则能得到虚拟页面编号N=n=ptx*1024+pgoff=(ptx<<12)+pgoff，因此访问uvpt[n]的值能得到第n个虚拟页面的页表项

页表目录项访问

页表目录项访问的过程与二级页表项访问类似

以访问uvpd[0]举例，假设当前页表目录为pgdir

uvpd[0]的虚拟地址为UVPT+(UVPT>>12)*4，同上拆成三部分，其中第一部分是pdx=1110111101，第二部分是ptx=(UVPT>>12)*4>>12，第三部分是pgoff=0

当访问uvpd[0]时：

1. 取出虚拟地址的PDX，查找页表目录的第pdx项，其值为pgdir[PDX(UVPT)]，指向当前页表目录所在的页面，因此找到的二级目录是页表目录
2. 取出PTX，查找页表目录的第ptx项（第(UVPT>>12)*4>>12项），这个表项还是指向页表目录所在的页面
3. 取出PGOFF，查找页表目录的的第pgoff个表项（第0项）

以此类推，uvpd[n](0<=n<1024)就是页表目录的第n个表项

与访问uvpt[n]相比，其实就是第2个步骤回绕了一下，导致三步查询得到的是目录的表项

与通常的寻址方式类比

通常寻址：

  cr3            PDX             PTX            PGOFF  
------->页表目录---------二级页表-------->物理页面-------->值

uvpt[n]：

  cr3            PDX             PTX            PGOFF  
------->页表目录---------页表目录-------->二级页表-------->二级页表项

uvpd[n]：

  cr3            PDX             PTX            PGOFF  
------->页表目录---------页表目录-------->页表目录-------->目录表项