MIT-JOS系列：用戶態訪問頁表項詳解

在MIT-JOS lab4的實驗中，爲了可以在用戶態自定義處理頁面錯誤，咱們必需要知道操做的頁面的屬性（是否當前用戶具備讀寫權限、是否copy on write頁面），這就須要查詢指向當前物理頁面的頁表項和目錄表項獲取它的屬性

在以前的實驗中，咱們已經經過e->env_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(e->env_pgdir) | PTE_P | PTE_U;修改UVPT的目錄表項，用此操做容許用戶讀取任一頁面的頁表項，但沒有對其進行詳細解釋，所以在lab4的應用中遇到了一些障礙：不知道具體是怎麼用UVPT定位到一個頁面對應的頁表項。在這裏，將對這個進行詳細解釋

定義梳理

解釋原理前，首先列出各變量和宏的定義，以幫助說明和理解：

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

對線性地址la的分解以下：

// 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)獲取的是虛擬地址la是第幾個虛擬頁面

UVPT處的內存佈局以下：

/*                     :              .               :                   
 *                     :              .               :                   
 *    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佔總共PTSIZE的物理內存，每個頁表項4個字節，總共有1024×1024個頁表項，這一段足夠索引到全部頁表項。該段地址以只讀權限開放給用戶態的程序

虛擬地址與頁表的對應關係

首先要明確一點，雖然一個虛擬頁面映射到哪一個物理頁面是隨系統分配的，但虛擬頁面在頁表中的結構老是固定的，例如第0個虛擬頁面地址老是0-FFF，它老是對應頁表目錄的第0項和第0個二級頁表的第0項。

頁表目錄、二級頁表和各虛擬頁面對應關係如圖

頁表目錄中：

第0個頁表項指向第0個二級頁表，第0個二級頁表映射第0-1023個虛擬頁面，每個條目記載該虛擬頁面映射的物理頁面的地址。關聯第0個二級頁表的全部虛擬地址la，其PDX(la)必爲0，PDX(la)爲0-FFF

第1個頁表項指向第1個二級頁表，第1個二級頁表映射第1024-2047個虛擬頁面。關聯第1個二級頁表的全部虛擬地址la，其PDX(la)必爲1，PDX(la)爲0-FFF

......

二級頁表項訪問

以訪問uvpt[0]舉例，假設當前頁表目錄爲pgdir

uvpt[0]的虛擬地址爲0xef400000，二進制爲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

當訪問uvpt[0]時：

1. 取出虛擬地址的PDX，查找頁表目錄的第pdx項，其值爲pgdir[PDX(UVPT)]，指向當前頁表目錄所在的頁面，所以找到的二級目錄是頁表目錄
2. 取出PTX，查找頁表目錄的第ptx項（第0項），獲得第0個二級目錄所在的頁面
3. 取出PGOFF，查找頁面的第pgoff項（第0項），獲得第0個二級目錄的第0項，其值是一個頁表項，對應第0個頁面

能夠看出若訪問uvpt[n]，若將其虛擬地址拆分爲pdx, ptx, pgoff, 則能獲得虛擬頁面編號N=n=ptx*1024+pgoff=(ptx<<12)+pgoff，所以訪問uvpt[n]的值能獲得第n個虛擬頁面的頁表項

頁表目錄項訪問

頁表目錄項訪問的過程與二級頁表項訪問相似

以訪問uvpd[0]舉例，假設當前頁表目錄爲pgdir

uvpd[0]的虛擬地址爲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

當訪問uvpd[0]時：

1. 取出虛擬地址的PDX，查找頁表目錄的第pdx項，其值爲pgdir[PDX(UVPT)]，指向當前頁表目錄所在的頁面，所以找到的二級目錄是頁表目錄
2. 取出PTX，查找頁表目錄的第ptx項（第(UVPT>>12)*4>>12項），這個表項仍是指向頁表目錄所在的頁面
3. 取出PGOFF，查找頁表目錄的的第pgoff個表項（第0項）

以此類推，uvpd[n](0<=n<1024)就是頁表目錄的第n個表項

與訪問uvpt[n]相比，其實就是第2個步驟迴繞了一下，致使三步查詢獲得的是目錄的表項

與一般的尋址方式類比

一般尋址：

cr3            PDX             PTX            PGOFF  
------->頁表目錄---------二級頁表-------->物理頁面-------->值

uvpt[n]：

cr3            PDX             PTX            PGOFF  
------->頁表目錄---------頁表目錄-------->二級頁表-------->二級頁表項

uvpd[n]：

cr3            PDX             PTX            PGOFF  
------->頁表目錄---------頁表目錄-------->頁表目錄-------->目錄表項