页表实现与核心函数

本节将详细解析页表项 (PageTableEntry) 的结构以及多级页表 (PageTable) 的管理逻辑，特别是涉及到映射建立与拆除的核心函数。

页表项 PageTableEntry

RISC-V SV39 架构规定，每个页表项 (PTE) 占据 8 字节（64 位）。

 63    54 53          10 9  8  7  6  5  4  3  2  1  0
┌──────┬────────────────┬─────┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┐
│ 保留 │      PPN       │ RSW │ D│ A│ G│ U│ X│ W│ R│ V│
│(10位)│     (44位)     │(2位)│  │  │  │  │  │  │  │  │
└──────┴────────────────┴─────┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘

PTEFlags 定义了页表项的权限和状态：

标志位	名称	含义
V	Valid	该页表项是否有效。如果 V=0，访问该页会触发 Page Fault。
R	Readable	是否可读。
W	Writable	是否可写。
X	Executable	是否可执行（是否包含指令）。
U	User	用户态 (U-mode) 是否可访问。若 U=0，仅 S-mode 可访问。
G	Global	全局映射（通常用于内核共享区域，本实验不深入讨论）。
A	Accessed	访问位。当该页被访问（读/写/执行）时，硬件会自动置位。
D	Dirty	脏位。当该页被写入时，硬件会自动置位。

bitflags! {
    pub struct PTEFlags: u8 {
        const V = 1 << 0;
        const R = 1 << 1;
        const W = 1 << 2;
        const X = 1 << 3;
        const U = 1 << 4;
        const G = 1 << 5;
        const A = 1 << 6;
        const D = 1 << 7;
    }
}

叶子节点与中间节点

中间节点 PTE 的 V 为 1，但 R、W、X 全为 0，此时 PPN 指向下一级页表的物理页。而 叶子节点 PTE 的 V 为 1，且 R、W、X 中至少有一个为 1，此时 PPN 指向最终映射的物理页帧。

页表结构 PageTable

PageTable 结构体负责管理根页表以及在映射过程中动态分配的中间页表帧：

pub struct PageTable {
    root_ppn: PhysPageNum,      // 根页表的物理页号
    frames: Vec<FrameTracker>,  // 所有的中间页表帧（用于自动回收）
}

我们使用 frames 向量持有所有中间页表节点的 FrameTracker。利用 Rust 的 RAII 机制，当 PageTable 被销毁时，这些物理帧会被自动释放，防止内存泄漏。

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核心映射函数

在 kernel/src/mm/page_table.rs 中，我们需要实现以下关键函数来管理虚拟内存映射。

查找并创建页表项 find_pte_create

fn find_pte_create(&mut self, vpn: VirtPageNum) -> Option<&mut PageTableEntry>

功能：根据给定的虚拟页号 (vpn)，在三级页表中查找对应的叶子页表项。

• 如果中间级页表不存在，则从物理内存分配器申请一个新的物理帧，初始化为新的页表，并将其添加到 frames 中管理。
• 最终返回指向叶子 PTE 的可变引用，以便后续修改权限或映射物理页。

逻辑流程：

1. 从根页表开始，依次根据 vpn 的索引（level 2 -> 1 -> 0）查找 PTE。
2. 遇到无效的 PTE（V=0），分配新帧，建立链接，继续下一级。
3. 到达第三级（level 0）时，返回该 PTE 的引用。

遍历过程（逐级下沉）：

vpn.indexes() = [i0, i1, i2]   // [VPN[2], VPN[1], VPN[0]]

1. 查找 i0
  若 pte.is_valid() == false：
    分配新帧 frame，令 pte = PageTableEntry::new(frame.ppn, V)
    将 frame 存入 self.frames（转移所有权）
    进入二级页表

2. 查找 i1
    同上，若不存在则分配新帧
    进入三级页表

3. 查找 i2
  直接返回该 PTE 的可变引用

注意

创建新节点时，我们仅置位 V 位，不设置 R/W/X/U 标志——这标志着它是中间节点。 它会返回叶子节点 PTE 的引用，不关心它是否 valid（由 map 来写入）。

三级查找 (只读) find_pte

函数签名：

fn find_pte(&self, vpn: VirtPageNum) -> Option<&mut PageTableEntry>

作用：找到 VPN 对应的叶子 PTE 的可变引用。若任意中间节点无效，返回 None。

与 find_pte_create 的区别：

	find_pte_create	find_pte
接收者	&mut self	&self
中间节点缺失	分配新帧并创建节点	返回 None
用途	建立新映射（map）	查询/删除现有映射（translate, unmap）

参考find_pte_create函数，仔细思考其中区别

建立映射 map

函数签名：

pub fn map(&mut self, vpn: VirtPageNum, ppn: PhysPageNum, flags: PTEFlags)

作用：在页表中建立一个虚拟页到物理页的映射。

实现逻辑：

1. 找到（或创建）叶子节点

2. 检查该 VPN 尚未被映射（防御性检查，避免重复映射）

3. 写入 PPN 和权限标志，并置位 V（使映射有效）

注意

flags 中加上 PTEFlags::V，否则写入的 PTE 虽然有 PPN， V 位为 0，CPU 仍会认为该页未映射并触发 PageFault。

删除映射 unmap

函数签名：

pub fn unmap(&mut self, vpn: VirtPageNum)

作用：将 VPN 对应的叶子 PTE 清零，解除映射。

实现逻辑：

1. 找到叶子节点（若不存在则 panic）

2. 检查该映射确实存在

3.  将 PTE 清零（等价于 bits = 0），V 位变为 0，映射失效

注意

unmap 只清零页表项，并不释放被映射的数据物理帧。数据帧的释放由 MapArea.data_frames 中的 FrameTracker 负责（从 BTreeMap 中移除时自动析构）。 中间节点的帧由 PageTable.frames 持有，直到整个 PageTable 销毁时释放。

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完整调用链示意

MapArea::map_one(vpn, page_table) 为例（Framed 映射）：

MapArea::map(&mut self, page_table: &mut PageTable)
  └─ for vpn in self.vpn_range
       └─ self.map_one(page_table, vpn)
              │
              ├─ (Framed) frame = frame_alloc()
              │           ppn = frame.ppn
              │           self.data_frames.insert(vpn, frame)
              │
              └─ page_table.map(vpn, ppn, PTEFlags)
                      └─ find_pte_create(vpn)
                              └─ 按需分配中间节点
                         *pte = PTE::new(ppn, flags | V)

MapArea::unmap(&mut self, page_table: &mut PageTable)
  └─ for vpn in self.vpn_range
       ├─ page_table.unmap(vpn)
       │       └─ find_pte(vpn)
       │              *pte = PTE::empty()
       │           （页表项清零，映射失效）
       │
       └─ (Framed) self.data_frames.remove(&vpn)
                   （FrameTracker Drop，物理帧归还）

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translate 与地址翻译辅助函数

/// 查询 VPN 对应的 PTE（用于内核访问用户内存）
pub fn translate(&self, vpn: VirtPageNum) -> Option<PageTableEntry> {
    self.find_pte(vpn).map(|pte| *pte)
}

/// 翻译虚拟地址到物理地址
pub fn translate_va(&self, va: VirtAddr) -> Option<PhysAddr> {
    self.find_pte(va.floor()).map(|pte| {
        let aligned_pa: PhysAddr = pte.ppn().into();
        let offset = va.page_offset();
        (usize::from(aligned_pa) + offset).into()
    })
}

translated_byte_buffer 通过上述接口，将用户程序传入的虚拟地址指针 实现用户物理页内的数据复制。