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虚拟内存

rCore 采用简单分页的虚拟内存管理机制。本节基于 ch4 分支的 virtual-memory 标签进行调试，源码地址：

https://github.com/LearningOS/2025s-rcore-jiangshengdev/tree/virtual-memory

内核页表结构​

我们先在 src/mm/memory_set.rs:277 行处设置断点并进入，分析内核态页表的构建流程。

new-kernel-code.webp new-kernel-code.webp

可以看到跳板映射为非恒等映射，.text 段为恒等映射。

new-kernel-print.webp new-kernel-print.webp

查看变量可知，内核内存集对应的页表根物理页号（root_ppn）为 0x83a5b。帧跟踪器共记录了 5 个物理页面：

  • 0x83a5b
  • 0x83a5c
  • 0x83a5d
  • 0x83a5e
  • 0x83a5f

new-kernel-debug.webp new-kernel-debug.webp

使用 GDB 分别查看这 5 个物理页号对应的 4 KiB 内存内容：

(gdb) x /512gx 0x83A5B000
(gdb) x /512gx 0x83A5C000
(gdb) x /512gx 0x83A5D000
(gdb) x /512gx 0x83A5E000
(gdb) x /512gx 0x83A5F000

由于输出冗长，此处仅绘制非 0x0 的项。

图中：

  • 灰色框表示寄存器或页表项数组；
  • 每个页表项数组包含 512 个元素，起始于对应物理页号映射的物理地址，占用 4 KiB；
  • 红色背景表示物理地址或寄存器名称，蓝色背景表示数组索引；
  • 绿色背景上部为存储值（下一级物理页号左移 10 位并附加标志位），下部为解析出的物理页号。

虽然此时 satp 寄存器尚未设置，但页表构建完成后会写入该寄存器。下图展示了完成后的值。

system-map.svg system-map.svg

可以看到 satp 寄存器指向物理页号 0x83a5b。

跳板映射示例​

以虚拟页号 0x7ffffff（三级索引 [511, 511, 511]）映射到物理页号 0x0080201 为例：

  1. 第一级页表页（0x83a5b）下标 511 的表项地址 0x83a5bff8 指向 0x83a5c；
  2. 第二级页表页（0x83a5c）下标 511 的表项地址 0x83a5cff8 指向 0x83a5d；
  3. 第三级页表页（0x83a5d）下标 511 的表项地址 0x83a5dff8 解析得到物理页号 0x0080201。

恒等映射示例​

以虚拟页号 0x0080200（三级索引 [2, 1, 0]）映射到相同物理页号 0x0080200 为例：

  1. 第一级页表页（0x83a5b）下标 2 的表项地址 0x83a5b010 指向 0x83a5e；
  2. 第二级页表页（0x83a5e）下标 1 的表项地址 0x83a5e008 指向 0x83a5f；
  3. 第三级页表页（0x83a5f）下标 0 的表项地址 0x83a5f000 解析得到物理页号 0x0080200。

用户页表结构​

在用户页表中，除了跳板映射以外，其余条目主要为帧映射，在映射时同时分配对应的物理内存。下图展示了应用程序 0 的页表组织结构：

user-map.svg user-map.svg

页表内存映射​

本节示例在上游实现基础上新增了日志输出，可大致地展示内核态与用户态页表的内存映射详情。

内核内存映射​

内核态大部分虚拟页面采用恒等映射，但跳板映射为静态映射，内核栈为帧映射：

[kernel] Hello, world!
[DEBUG] [kernel] .rodata [0x8022a000, 0x80232000)
[ INFO] [kernel] .data [0x80232000, 0x81a4a000)
[ WARN] [kernel] boot_stack top=bottom=0x81a5a000, lower_bound=0x81a4a000
[ERROR] [kernel] .bss [0x81a5a000, 0x83a5b000)
StackFrameAllocator {
    current: 0x83a5b,
    end: 0x88000,
    recycled: [],
}
Trampoline mapped:
VPN:0x7ffffff -> PPN:0x0080201
Permissions: R | X
[ INFO] .text [0x80200000, 0x8022a000)
[ INFO] .rodata [0x8022a000, 0x80232000)
[ INFO] .data [0x80232000, 0x81a4a000)
[ INFO] .bss [0x81a4a000, 0x83a5b000)
[ INFO] mapping .text section
.text section mapping:
VPN:0x0080200 -> PPN:0x0080200
...
VPN:0x0080229 -> PPN:0x0080229
42×
Permissions: R | X
[ INFO] mapping .rodata section
.rodata section mapping:
VPN:0x008022a -> PPN:0x008022a	VPN:0x008022b -> PPN:0x008022b	VPN:0x008022c -> PPN:0x008022c	
VPN:0x008022d -> PPN:0x008022d	VPN:0x008022e -> PPN:0x008022e	VPN:0x008022f -> PPN:0x008022f	
VPN:0x0080230 -> PPN:0x0080230	VPN:0x0080231 -> PPN:0x0080231	
Permissions: R
[ INFO] mapping .data section
.data section mapping:
VPN:0x0080232 -> PPN:0x0080232
...
VPN:0x0081a49 -> PPN:0x0081a49
6168×
Permissions: R | W
[ INFO] mapping .bss section
.bss section mapping:
VPN:0x0081a4a -> PPN:0x0081a4a
...
VPN:0x0083a5a -> PPN:0x0083a5a
8209×
Permissions: R | W
[ INFO] mapping physical memory
Physical memory section mapping:
VPN:0x0083a5b -> PPN:0x0083a5b
...
VPN:0x0087fff -> PPN:0x0087fff
17829×
Permissions: R | W
[kernel] back to world!

用户内存映射​

用户态程序的页表主要采用帧映射。除了构建独立的用户页表（包含陷阱上下文映射），还会在内核页表中加入对应的内核栈映射：

num_app = 11
应用程序: 0
Trampoline (App) mapped:
VPN:0x7ffffff -> PPN:0x0080201
Permissions: R | X
.text section mapping:
VPN:0x0000000 -> PPN:0x0083aa1	VPN:0x0000001 -> PPN:0x0083aa4	VPN:0x0000002 -> PPN:0x0083aa5	
VPN:0x0000003 -> PPN:0x0083aa6	VPN:0x0000004 -> PPN:0x0083aa7	VPN:0x0000005 -> PPN:0x0083aa8	
VPN:0x0000006 -> PPN:0x0083aa9	VPN:0x0000007 -> PPN:0x0083aaa	VPN:0x0000008 -> PPN:0x0083aab	
Permissions: R | X | U
.rodata section mapping:
VPN:0x0000009 -> PPN:0x0083aac	VPN:0x000000a -> PPN:0x0083aad	VPN:0x000000b -> PPN:0x0083aae	
Permissions: R | U
.data, .bss section mapping:
VPN:0x000000c -> PPN:0x0083aaf	VPN:0x000000d -> PPN:0x0083ab0	VPN:0x000000e -> PPN:0x0083ab1	
VPN:0x000000f -> PPN:0x0083ab2	VPN:0x0000010 -> PPN:0x0083ab3	
Permissions: R | W | U
User stack section mapping:
VPN:0x0000012 -> PPN:0x0083ab4	VPN:0x0000013 -> PPN:0x0083ab5	
Permissions: R | W | U
User sbrk section mapping:
TrapContext section mapping:
VPN:0x7fffffe -> PPN:0x0083ab6	
Permissions: R | W
Kernel stack section mapping:
VPN:0x7fffffd -> PPN:0x0083ab7	VPN:0x7fffffe -> PPN:0x0083ab8	
Permissions: R | W
应用程序: 1
Trampoline (App) mapped:
VPN:0x7ffffff -> PPN:0x0080201
Permissions: R | X
.text section mapping:
VPN:0x0000000 -> PPN:0x0083abc	VPN:0x0000001 -> PPN:0x0083abf	VPN:0x0000002 -> PPN:0x0083ac0	
VPN:0x0000003 -> PPN:0x0083ac1	VPN:0x0000004 -> PPN:0x0083ac2	VPN:0x0000005 -> PPN:0x0083ac3	
VPN:0x0000006 -> PPN:0x0083ac4	VPN:0x0000007 -> PPN:0x0083ac5	VPN:0x0000008 -> PPN:0x0083ac6	
Permissions: R | X | U
.rodata section mapping:
VPN:0x0000009 -> PPN:0x0083ac7	VPN:0x000000a -> PPN:0x0083ac8	VPN:0x000000b -> PPN:0x0083ac9	
Permissions: R | U
.data, .bss section mapping:
VPN:0x000000c -> PPN:0x0083aca	VPN:0x000000d -> PPN:0x0083acb	VPN:0x000000e -> PPN:0x0083acc	
VPN:0x000000f -> PPN:0x0083acd	VPN:0x0000010 -> PPN:0x0083ace	
Permissions: R | W | U
User stack section mapping:
VPN:0x0000012 -> PPN:0x0083acf	VPN:0x0000013 -> PPN:0x0083ad0	
Permissions: R | W | U
User sbrk section mapping:
TrapContext section mapping:
VPN:0x7fffffe -> PPN:0x0083ad1	
Permissions: R | W
Kernel stack section mapping:
VPN:0x7fffffa -> PPN:0x0083ad2	VPN:0x7fffffb -> PPN:0x0083ad3	
Permissions: R | W

为了简洁，仅展示前两个应用程序的映射示例，后续应用结构类似。