SV39 页表项

页表项，用于表示映射信息，其英文为 page table entry（简称为 PTE）。

页表项如下所示：

 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|
+----------+----------+----------+----------+-----+-+-+-+-+-+-+-+-+
     10         26          9          9       2   1 1 1 1 1 1 1 1

其中：

• V：有效位，表示页表项是否 valid。
• R, W, X：这些位分别表示页面是否可读、可写和可执行。当所有三个都为零时，PTE 指向页面表的下一级；否则，它是一个 leaf PTE。
• U：用户位，表示对应虚拟页面是否可在用户态下访问。
• G：全局位，表示对应的页面是否是全局的。对于 non-leaf PTE，全局设置意味着页表后续级别中的所有映射都是全局的。请注意，未能将全局映射标记为全局只会降低性能，而将非全局映射标记为全局则是一个致命错误。
• A：访问位，表示对应的页面是否被访问过。
• D：脏位，表示对应的页面是否被写过。
• RSW：为内核程序预留，硬件不会对此做任何其他操作。

下表列出了所有可能的 R, W, X 组合：

SV39 的具体翻译过程

在页表文档中，我们大致介绍了翻译的流程，所以这里我们只举例中间的某一层页表翻译过程。

由于页表是按照页大小对齐的，所以页表的地址后 12 位全零，因此很多时候不用特别指定。

假设我们要翻译某一层的虚拟地址 (VPN)，记为 \(v\)，页表起始位置位于 \(pt\)（后 12 位全零）。

由于每一层都是 9 位，而页表项都是 8 bytes，因此对应的页表项起始位置位于 \(pt+v \times 8\)，这样我们就拿到了页表项。页表项将会指向一个地址 \(p\)（只知道 12-55 位，其他为可以认为全零），12-55 位可以通过三个 PPN 相拼得到。

接着，我们进行一些访问合法性的验证（如验证有效位，用户态下验证是否用户是否可访问等），如果没有通过验证，就会产生异常。

最后，检查页表是否为叶子节点。如果 RWX 都是零，则不是叶子节点，其指向的地址 \(p\)（前面已经给出的计算方法）为下一级页表的起始位置；否则，页表项位叶子节点，其指向的地址加上剩下未映射的部分即为映射到的物理地址。

延伸内容：大页

我们注意到映射很多个页面时，会占用很多个页表项。如果有很多个页面是连续的（如 \(2^9\) 个对齐且连续的页面，这在 buddy allocation 中很常见），那么其实不需要这么多页表项。

RISCV 提供了大页映射的方案，可以映射 2 MiB 以及 1 GiB 的页面。对于 1 GiB 的大页，只需要在第一级页表上设置大页的 RWX 权限即可，不需要为下面的所有页面设置单独的页表项。同理，对于 2 MiB 的大页，只需要在第二级页面设置权限即可。