增加 PageTable 结构体相关

ch4/os/src/mm/address.rs

@@ -1,34 +1,41 @@
 use crate::config::{PAGE_SIZE, PAGE_SIZE_BITS};
+use crate::mm::page_table::PageTableEntry;
 
 const PA_WIDTH_SV39: usize = 56;  // 真实物理地址 的字节宽度  44(物理页宽) + 12(4kb的宽度)
+const VA_WIDTH_SV39: usize = 39;  // 虚拟地址的宽度 9 + 9 + 9 + 12
 const PPN_WIDTH_SV39: usize = PA_WIDTH_SV39 - PAGE_SIZE_BITS;  // 物理页 的宽度, 也就是 物理地址宽度-每页宽度=物理页宽度
+const VPN_WIDTH_SV39: usize = VA_WIDTH_SV39 - PAGE_SIZE_BITS;  // 虚拟页的宽度 27
 
 
-// 物理地址
+// 物理地址 56bit 44 12
 #[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
 pub struct PhysAddr(pub usize);
 
-// 虚拟地址
+// 虚拟地址 39bit  9 9 9 12
 #[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
 pub struct VirtAddr(pub usize);
 
-// 物理页
+// 物理页 44bit
 #[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
 pub struct PhysPageNum(pub usize);
 
-// 虚拟页
+// 虚拟页 29bit 布局为 9 9 9
 #[derive(Copy, Clone, Ord, PartialOrd, Eq, PartialEq)]
 pub struct VirtPageNum(pub usize);
 
 
 // 把usize 转为真实地址(只保留 PA_WIDTH_SV39 位字节)
 impl From<usize> for PhysAddr {
-    fn from(v: usize) -> Self { Self(v & ( (1 << PA_WIDTH_SV39) - 1 )) }
+    fn from(v: usize) -> Self {
+        Self(v & ( (1 << PA_WIDTH_SV39) - 1 ))
+    }
 }
 
 // 把usize类型的物理页号 转为物理页结构体 (只保留物理页的宽度)
 impl From<usize> for PhysPageNum {
-    fn from(v: usize) -> Self { Self(v & ( (1 << PPN_WIDTH_SV39) - 1 )) }
+    fn from(v: usize) -> Self {
+        Self(v & ( (1 << PPN_WIDTH_SV39) - 1 ))
+    }
 }
 
 // 把物理地址转为 usize, 直接返回即可
@@ -74,12 +81,12 @@ impl PhysAddr {
 
 impl PhysPageNum {
     // // 从当前物理页保存的数据中得到所有的 PTE
-    // pub fn get_pte_array(&self) -> &'static mut [PageTableEntry] {
-    //     // 物理页号 转为物理地址
-    //     let pa: PhysAddr = (*self).into();
-    //     // 从物理页地址读出一页 512个8字节(4k)的数据
-    //     unsafe { core::slice::from_raw_parts_mut(pa.0 as *mut PageTableEntry, 512) }
-    // }
+    pub fn get_pte_array(&self) -> &'static mut [PageTableEntry] {
+        // 物理页号 转为物理地址
+        let pa: PhysAddr = (*self).into();
+        // 从物理页地址读出一页 512个8字节(4k)的数据
+        unsafe { core::slice::from_raw_parts_mut(pa.0 as *mut PageTableEntry, 512) }
+    }
 
     // 从当前物理页得到 引用类型的 byte array
     pub fn get_bytes_array(&self) -> &'static mut [u8] {
@@ -93,3 +100,44 @@ impl PhysPageNum {
         unsafe { (pa.0 as *mut T).as_mut().unwrap() }
     }
 }
+
+
+// 把usize 转为 虚拟地址, 只保留39位
+impl From<usize> for VirtAddr {
+    fn from(value: usize) -> Self {
+        Self(value & ((1 << PPN_WIDTH_SV39) - 1 ))
+    }
+}
+
+// 把虚拟地址, 转为usize
+impl From<VirtAddr> for usize {
+    fn from(v: VirtAddr) -> Self {
+        if v.0 >= (1 << (VA_WIDTH_SV39 - 1)) {
+            // 将高位全部设置为1, 虚拟地址就是这样的, 64~39 位, 随着38位变化
+            v.0 | (!((1 << VA_WIDTH_SV39) - 1))
+        } else {
+            v.0
+        }
+    }
+}
+
+// 把usize类型的页号 转为 虚拟页号结构体, 只保留27位即可
+impl From<usize> for VirtPageNum {
+    fn from(v: usize) -> Self {
+        Self(v & ((1 << VPN_WIDTH_SV39) - 1))
+    }
+}
+
+
+impl VirtPageNum{
+    // 从虚拟页号中 抽离 9 9 9 的布局
+    pub fn indexes(&self) -> [usize; 3] {
+        let mut vpn = self.0;
+        let mut idx = [0usize; 3];
+        for i in (0..3).rev() {
+            idx[i] = vpn & 511;
+            vpn >>= 9;
+        }
+        idx
+    }
+}

ch4/os/src/mm/frame_allocator.rs

@@ -10,7 +10,9 @@ extern "C" {
 }
 
 // 物理页帧的结构体, 他和物理页号不同, 它是管理整个物理页内的数据, 而物理页号被页表管理
+// 这个结构体只是利用rust drop管理变量的方式
 // 我们使用这个结构体, 来利用rust变量生命周期, 自动管理该页, 数据清零或者还回物理页帧管理器
+// 这个结构可以省去(因为他很多时候使用PhysPageNum 也可以完成), 但是为了防止后续课程还有其他地方使用, 就不省了,
 pub struct FrameTracker {
     pub ppn: PhysPageNum,
 }

ch4/os/src/mm/mod.rs

@@ -1,6 +1,7 @@
 pub mod heap_allocator;
 pub mod address;
 pub mod frame_allocator;
+pub mod page_table;
 
 
 
@@ -9,6 +10,4 @@ pub fn init(){
     heap_allocator::init_heap();
     // 初始化bin测试 物理页帧管理器
     frame_allocator::frame_allocator_test();
-
-
 }

ch4/os/src/mm/page_table.rs

@@ -1,6 +1,8 @@
+use alloc::vec;
 use alloc::vec::Vec;
 use bitflags::*;
-use crate::mm::address::PhysPageNum;
+use crate::mm::address::{PhysPageNum, VirtAddr, VirtPageNum};
+use crate::mm::frame_allocator::{frame_alloc, FrameTracker};
 
 
 bitflags! {
@@ -72,6 +74,102 @@ impl PageTableEntry {
 // 页表
 pub struct PageTable {
     root_ppn: PhysPageNum,
-    // 这里保存的是页表每一页所占的物理页帧的页号
+    // 这里保存, 保存了 被映射出来的每级页表的物理帧, 页表被删除时, 页表所占用的物理帧 也被rust释放执行drop还给物理页帧管理器, FrameTracker 实现了 Drop trait
     frames: Vec<FrameTracker>,
 }
+
+impl PageTable {
+    // 创建根节点页表
+    pub fn new() -> Self {
+        let frame = frame_alloc().unwrap();
+        PageTable {
+            root_ppn: frame.ppn,
+            frames: vec![frame],
+        }
+    }
+
+    // 从stap寄存器保存的特定格式的token, 转为根节点页表
+    pub fn from_token(satp: usize) -> Self {
+        Self {
+            // 只保留44位 bit, 这44位bit, 就是 页表所在的物理页帧
+            root_ppn: PhysPageNum::from(satp & ((1usize << 44) - 1)),
+            frames: Vec::new(),
+        }
+    }
+
+}
+
+impl PageTable {
+    // 得到该页表被设置到 stap 需要的格式
+    // 注意, 这个只能是根节点才会用得到
+    pub fn token(&self) -> usize {
+        // 8 表示MODE, SV39分页机制开启
+        // 4bit 16bit 44bit 构成页表的 stap CSR的格式要求
+        8usize << 60 | self.root_ppn.0
+    }
+
+    // 寻找 指定页号, 如果不存在中间节点, 则创建出来, 知道找到三级页表的 指定下标 的 pte的指针
+    fn find_pte_create(&mut self, vpn: VirtPageNum) -> Option<&mut PageTableEntry> {
+        let idxs = vpn.indexes();
+        let mut ppn = self.root_ppn;
+        let mut result: Option<&mut PageTableEntry> = None;
+        for (i, idx) in idxs.iter().enumerate() {
+            // 得到一级页表的pte
+            let pte = &mut ppn.get_pte_array()[*idx];
+            // 到达最后一级, 不管有无数据直接 跳出, 返回 三级页表保存的信息  0或者指向  物理页44bit+权限10bit 的数据
+            if i == 2 {
+                result = Some(pte);
+                break;
+            }
+            // 如果没有中间节点
+            if pte.is_valid() == false {
+                let frame = frame_alloc().unwrap();
+                *pte = PageTableEntry::from(frame.ppn, PTEFlags::V);
+                self.frames.push(frame);
+            }
+            ppn = pte.ppn();
+        }
+        result
+    }
+
+    // 和 find_pte_create 差不多, 只不过这个不创建中间节点, 缺中间节点立马就返回
+    fn find_pte(&self, vpn: VirtPageNum) -> Option<&mut PageTableEntry> {
+        let idxs = vpn.indexes();
+        let mut ppn = self.root_ppn;
+        let mut result: Option<&mut PageTableEntry> = None;
+        for (i, idx) in idxs.iter().enumerate() {
+            let pte = &mut ppn.get_pte_array()[*idx];
+            if i == 2 {
+                result = Some(pte);
+                break;
+            }
+            if pte.is_valid() == false {
+                return None;
+            }
+            ppn = pte.ppn();
+        }
+        result
+    }
+
+    // 把虚拟页 映射到页表中, 并创建一个 物理页, 然后把物理页ppn组成pte的格式, copy到 虚拟页对应的页表项内
+    pub fn map(&mut self, vpn: VirtPageNum, ppn: PhysPageNum, flags: PTEFlags) {
+        // 查找vpn 没有中间节点就创建出来
+        let pte = self.find_pte_create(vpn).unwrap();
+        assert!(!pte.is_valid(), "vpn {:?} is mapped before mapping", vpn.0);
+        *pte = PageTableEntry::from(ppn, flags | PTEFlags::V);
+    }
+
+    // 把虚拟页 取消映射(注意, 取消之后, 外部一定要 把该虚拟页对应的物理页帧 还给全局的物理页帧管理器)
+    pub fn unmap(&mut self, vpn: VirtPageNum) {
+        let pte = self.find_pte(vpn).unwrap();
+        assert!(pte.is_valid(), "vpn {:?} is invalid before unmapping", vpn.0);
+        *pte = PageTableEntry::new();
+    }
+
+    // 根据虚拟页号, 找到页表中对应的pte
+    pub fn get_pte(&self, vpn: VirtPageNum) -> Option<PageTableEntry> {
+        self.find_pte(vpn).map(|pte| *pte)
+    }
+}
+
+