rCore 学习笔记 - 第四章
分页内存管理
为了避免应用的恶意行为，以及方便应用的地址管理，内核要负责物理内存的管理，并提供一层抽象的接口，也就是地址空间。每个应用的视角下，它们各自拥有一大块独占的地址空间。应用使用虚拟地址来索引地址空间的数据，经过 MMU 映射到物理地址。
现在主流的机制是分页内存管理，将用户程序分成若干页面 (Page), 将物理地址分为若干个页帧 (Frame)，每个页面和页帧都有一个编号，通过页表 (Page Table) 建立映射关系。
分页机制的启用需要修改 satp 这个寄存器。对于 RISC-V 64，前四位是 MODE，用于指定页表实现方式，设为 0 的时候所有访存为物理地址，设为 8 的时候启用 Sv39 模式，这会启用三级页表，使用 39 位的虚拟地址，前 27 位分为 3 段，分别是各级页表的索引，最后 12 位是页内偏移，这个字段还可以设为别的值，启用别的模式，不过 rCore 的实现中似乎没用上；中间 16 位是 ASID，现在还用不上；后 44 位 PPN 是页表所在的物理页帧，由于每个页面大小是 4 KiB，每级页表占一个页面，所以大小也是 4 KiB，每项 8 B，总共可以存 512 个项，正好对应虚拟地址的其中 9 位。在采用 Sv39 分页模式的时候，实际上只有 39 位的地址是有效的。
FrameTracker 可以看作对于裸页帧的 RAII 包装，而 FRAME_ALLOCATOR 负责管理页帧，当前的实现是 StackFrameAllocator，优先会从回收的页帧里进行重分配，不够了再利用预留的，注意这里返回的直接是物理地址。PageTable 是页表的具体实现，提供了将虚拟地址和物理地址映射 / 解除映射的功能。
当启用分页机制之后，连内核自己访问的地址，也变成了虚拟地址，如果不建立好映射关系，就会出现问题。教程中给出了一种方法——恒等映射：在开启分页之前先把一块区域的虚拟地址和物理地址建立恒等映射，这样在启用分页之后，对于内核来说，访问的虚拟地址就是物理地址了，不会受到分页的影响。
MapArea 代表逻辑段，是一段连续地址的虚拟内存，一个程序的地址空间用 MemorySet 管理，MemorySet 包含了若干 MapArea，用 RAII 思想做内存管理，让 MemorySet 生命周期结束后，自动回收物理页帧。
有个地方让我感到奇怪，就是实际上 MapArea 在进行 new 时，只是对一些参数进行了设置，并没有实际建立虚拟地址和物理地址的映射关系，而是在 MemorySet 把它 push 进去的时候，再调用 MapArea 的 map 方法进行配置。我不太理解为什么要把这两个东西进行耦合。我觉得，MapArea 的 map 和 unmap 名字有误导性，实际上应当是应用设置好的操作。我的理解是，在这里，MapArea 只是一种区域信息的描述，实际上 MemorySet 是真正的管理者，而 PageTable 的细节被抽象掉了。而在硬件访问的时候，就无视高级语言做的这些设计了，直接根据页表的数据来做访问。不知道还有没有其他的考量。
之前的代码也要发生变化，比如 trap.S 里面。关键点在于换地址空间。进入 __alltraps 之后，先是把寄存器保存在 TrapContext 里，然后把应用初始化时期就设置好的，内核地址空间 token、trap handler 虚拟地址、内核栈顶地址等加载进寄存器，在 U 模式这些只是地址，没权限访问，__alltraps 把这些加载进寄存器之后，就可以调用 trap handler 来处理异常了。这个跳板页的设计很有意思，由于内核地址空间和用户地址空间不互通，切换地址空间后的那一刻，pc 简单地指向下一条指令，它是个虚拟地址，如果地址空间不能连续，那么这个地址就不知道指到哪里去了。为此，在用户地址空间的顶部，有一个跳板页，在内核地址空间的同样位置也有这样的跳板页，trap.S 就放在这页里面，它们都是一样映射的。这样，在跳板页中，可以确保指令的执行是连续的。
最后看一下内存结构。由于恒等映射，内核的虚拟地址就是物理地址。最上方是跳板页。接下来大片的空闲区域，在 TASK_MANAGER 初始化的时候，在这片区域一次性为所有用户程序创建好了内核栈。在创建每个内核栈的时候会将栈的区域进行映射，页帧的分配是交由 FRAME_ALLOCATOR 管理的，后续用户需要内存的时候，也是走的 FRAME_ALLOCATOR，而它已经把物理地址较高的区域分配给了程序的内核栈，所以不会出现重叠。FRAME_ALLOCATOR 管理的区域，从标记的内核区域截止位置 ekernel 到 MEMORY_END。ekernel 往下，就是运行前就决定的内核区域了。内核在 .bss 段里创建了内核堆和启动栈，.bss 段下方是 .data、.rodata、.text 等。用户程序的虚拟地址空间中，最上面的跳板页比较特殊，因为是和内核跳板页一样恒等映射的。它下面是 TrapContext，在创建任务的时候会记录下它的物理页号，在内核中就可以直接访问这个页号，对它的值进行更改。再往下就是用户程序自己定义的了，没什么需要解释的了，只需要知道，这些东西的物理地址，实际上位于从 ekernel 到最后一个内核栈最下方为止的这一片区域，由 FRAME_ALLOCATOR 进行统一管理。