实现页表
实现页表
为了实现 Sv39 页表,我们的思路是把一个分配好的物理页(即会自动销毁的 FrameTracker
)拿来把数据填充作为页表,而页表中的每一项是一个 8 字节的页表项。
对于页表项的位级别的操作,首先需要加入两个关于位操作的 crate:
os/Cargo.toml
bitflags = "1.2.1"
bit_field = "0.10.0"
然后,首先了构建了通过虚拟页号获得三级 VPN 的函数:
os/src/memory/address.rs
impl VirtualPageNumber {
/// 得到一、二、三级页号
pub fn levels(self) -> [usize; 3] {
[
self.0.get_bits(18..27),
self.0.get_bits(9..18),
self.0.get_bits(0..9),
]
}
}
页表项
后面,我们来实现页表项,其实就是对一个 usize
(8 字节)的封装,同时我们可以用刚刚加入的 bit 级别操作的 crate 对其实现一些取出特定段的方便后续实现的函数:
os/src/memory/mapping/page_table_entry.rs
/// Sv39 结构的页表项
#[derive(Copy, Clone, Default)]
pub struct PageTableEntry(usize);
/// Sv39 页表项中标志位的位置
const FLAG_RANGE: core::ops::Range<usize> = 0..8;
/// Sv39 页表项中物理页号的位置
const PAGE_NUMBER_RANGE: core::ops::Range<usize> = 10..54;
impl PageTableEntry {
/// 将相应页号和标志写入一个页表项
pub fn new(page_number: Option<PhysicalPageNumber>, mut flags: Flags) -> Self {
// 标志位中是否包含 Valid 取决于 page_number 是否为 Some
flags.set(Flags::VALID, page_number.is_some());
Self(
*0usize
.set_bits(FLAG_RANGE, flags.bits() as usize)
.set_bits(PAGE_NUMBER_RANGE, page_number.unwrap_or_default().into()),
)
}
/// 设置物理页号,同时根据 ppn 是否为 Some 来设置 Valid 位
pub fn update_page_number(&mut self, ppn: Option<PhysicalPageNumber>) {
if let Some(ppn) = ppn {
self.0
.set_bits(FLAG_RANGE, (self.flags() | Flags::VALID).bits() as usize)
.set_bits(PAGE_NUMBER_RANGE, ppn.into());
} else {
self.0
.set_bits(FLAG_RANGE, (self.flags() - Flags::VALID).bits() as usize)
.set_bits(PAGE_NUMBER_RANGE, 0);
}
}
/// 获取页号
pub fn page_number(&self) -> PhysicalPageNumber {
PhysicalPageNumber::from(self.0.get_bits(10..54))
}
/// 获取地址
pub fn address(&self) -> PhysicalAddress {
PhysicalAddress::from(self.page_number())
}
/// 获取标志位
pub fn flags(&self) -> Flags {
unsafe { Flags::from_bits_unchecked(self.0.get_bits(..8) as u8) }
}
/// 是否为空(可能非空也非 Valid)
pub fn is_empty(&self) -> bool {
self.0 == 0
}
}
impl core::fmt::Debug for PageTableEntry {
fn fmt(&self, formatter: &mut core::fmt::Formatter) -> core::fmt::Result {
formatter
.debug_struct("PageTableEntry")
.field("value", &self.0)
.field("page_number", &self.page_number())
.field("flags", &self.flags())
.finish()
}
}
bitflags! {
/// 页表项中的 8 个标志位
#[derive(Default)]
pub struct Flags: u8 {
/// 有效位
const VALID = 1 << 0;
/// 可读位
const READABLE = 1 << 1;
/// 可写位
const WRITABLE = 1 << 2;
/// 可执行位
const EXECUTABLE = 1 << 3;
/// 用户位
const USER = 1 << 4;
/// 全局位,我们不会使用
const GLOBAL = 1 << 5;
/// 已使用位,用于替换算法
const ACCESSED = 1 << 6;
/// 已修改位,用于替换算法
const DIRTY = 1 << 7;
}
}
页表
有了页表项,512 个连续的页表项组成的 4KB 物理页,同时再加上一些诸如多级添加映射的功能,就可以封装为页表。
os/src/memory/mapping/page_table.rs
/// 存有 512 个页表项的页表
///
/// 注意我们不会使用常规的 Rust 语法来创建 `PageTable`。相反,我们会分配一个物理页,
/// 其对应了一段物理内存,然后直接把其当做页表进行读写。我们会在操作系统中用一个「指针」
/// [`PageTableTracker`] 来记录这个页表。
#[repr(C)]
pub struct PageTable {
pub entries: [PageTableEntry; PAGE_SIZE / 8],
}
impl PageTable {
/// 将页表清零
pub fn zero_init(&mut self) {
self.entries = [Default::default(); PAGE_SIZE / 8];
}
}
然而,我们不会把这个巨大的数组在函数之间不停传递,我们这里的思路也同样更多利用 Rust 的特性,所以做法是利用一个 PageTableTracker
的结构对 FrameTracker
封装,但是里面的行为是对 FrameTracker
记录的物理页当成 PageTable
进行操作。同时,这个 PageTableTracker
和 PageTableEntry
也通过一些 Rust 中的自动解引用的特性为后面的实现铺平了道路,比如我们可以直接把 PageTableTracker
当成 PageTable
对待,同时,如果一个 PageTableEntry
指向的是另一个 PageTable
我们可以直接方便的让编译器自动完成这些工作。
os/src/memory/mapping/page_table.rs
/// 类似于 [`FrameTracker`],用于记录某一个内存中页表
///
/// 注意到,「真正的页表」会放在我们分配出来的物理页当中,而不应放在操作系统的运行栈或堆中。
/// 而 `PageTableTracker` 会保存在某个线程的元数据中(也就是在操作系统的堆上),指向其真正的页表。
///
/// 当 `PageTableTracker` 被 drop 时,会自动 drop `FrameTracker`,进而释放帧。
pub struct PageTableTracker(pub FrameTracker);
impl PageTableTracker {
/// 将一个分配的帧清零,形成空的页表
pub fn new(frame: FrameTracker) -> Self {
let mut page_table = Self(frame);
page_table.zero_init();
page_table
}
/// 获取物理页号
pub fn page_number(&self) -> PhysicalPageNumber {
self.0.page_number()
}
}
至此,我们完成了物理页中的页表。后面,我们将把内核中各个段做一个更精细的映射,把之前的那个粗糙的初始映射页表替换掉。