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【CPU】页，帧，页表，页表项，三级页表

news 2025/1/8 12:00:21

页和帧

页表

页偏移

页表项

页面属性

RISC-V SV39标准

三级页表

索引方式

物理地址

玄铁C906内存管理流程（参考）

页和帧

虚拟内存采用一种分页机制，即将虚拟内存空间以一定的大小分割成一个一个的内存块，并且将物理内存空间以同样的大小分块。虚拟内存块称为页（page），物理内存块称为帧（frame），两者大小相同，内存块的大小也被称为页偏移（page offset），需要运行的程序就被划分为一个一个页，当需要用到某页的代码或数据时，操作系统通知硬件将该页从外存中读入内存，并占用物理内存中的一个页帧。这样，每一个程序都能够根据需要合理地分配在物理内存中。每个虚拟页有自己的虚拟页号VPN（Virtual Page Number），代表该虚拟页处在虚拟内存中哪一个内存块，对于物理页也一样。

页表

页表（Page Table）是由操作系统维护的数据结构，页表记录了虚拟页与物理页（即页帧）之间的映射关系，以及该页的属性（可读、可执行等等），通常页表是一个很大的数据结构，所以也放在内存中

页偏移

指示虚拟内存被分割成的块大小，一般为4KB

页表项

每个页表项占用64 bits的空间，每个页表项由物理页号PPN和页面属性两部分组成。

页表中的一个条目就对应着一个页表项（页表由页表项组成）

页面属性

RISC-V SV39标准

标准规定了虚拟地址通过三级页表转换为物理地址。支持39位虚拟内存空间与40位物理地址空间。

39 位的虚拟地址空间决定了如何索引三级页表。具体来说，39 位虚拟地址被划分为三个 9 位的部分（VPN[2]、VPN[1] 和 VPN[0]），分别用于索引顶级页表、二级页表和三级页表。

三级页表

多级页表类似于将一个大的页表分割为了很多小的页表，将虚拟页号按高位分类，以虚拟页号的高9位、中间9位以及低9位对页进行划分，将不同的页放在页表中，不同的页表放在页目录中，由页指针指向这些页目录的首地址。

VPN[2]（9 位）：用于索引顶级页表/页目录指针（PDPTR：page directory PTR）。
VPN[1]（9 位）：用于索引二级页表/页目录（PD：page directory）。
VPN[0]（9 位）：用于索引三级页表/页表（PT：page table）。

在三级页表中，每一级页表都有可能存在叶子页表项(PTE)。但也包含着非叶子页表项，非叶子页表项中储存的物理地址为指向下一级页表的指针。

页目录指针的索引由SATP寄存器中提供的物理页号与虚拟页号的高9位拼接而成，由于页表项为64位，所以处于所有级页表的页表项低三位为0（八字节对齐）。也即一级页表访存地址为 {SATP.PPN, VPN[2], 3’b0}，使用该地址去访问顶级页表/页目录指针，得到页表项，通过页表项中的属性判断是否为叶子页表项，如是，则访问页表结束，虚拟地址与物理地址之间的转换完成；如果不是，当页面属性的X、W、R均为0时表明该表项为指向下一级页表的指针，将表项中的物理地址与虚拟地址的中间9位拼接作为下一级页表的索引。

玄铁C910支持4KB，2MB，1GB三种页面大小，虚拟页号（VPN）低9位加上虚拟地址低12位作为大小为2MB页面的页偏移，VPN低18位加上虚拟地址低12位作为大小为1GB页面的页偏移。

在三级页表中，每一级页表都有可能存在叶子页表项，在页目录指针中可能存在1GB页的叶子页表项，在页目录中可能存在2MB页的叶子页表项。