Creating address space

xv6 在 创建地址空间（Creating an Address Space） 的过程，主要涉及两个方面：

内核页表的建立（kernel address space）
用户进程页表的建立（user address space）

这两个过程都是通过一系列函数配合完成的，核心在于如何构建多级页表、设置映射、以及最终启用分页机制。下面我将分步详细说明：

🧠 一、内核地址空间的创建

🔹 1. `main()` 中调用 `kvminit()`

位于 kernel/main.c，初始化内核页表。

kvminit();       // 创建页表
kvminithart();   // 启用页表

🔹 2. `kvminit()` → `kvmmake()`

pagetable_t kvmmake(void)

作用： 为内核创建页表，返回根页表地址。

主要步骤：

kalloc()：分配一个物理页，作为 root page table；
多次调用 kvmmap()，把下面内容映射到页表中：
- 内核代码段（text, data）
- 所有物理内存（[0, PHYSTOP]）
- 外设内存地址空间（UART、PLIC 等 MMIO）

🔹 3. `kvmmap()` → `mappages()`

int mappages(pagetable_t pagetable, uint64 va, uint64 pa, uint64 sz, int perm)

作用： 为一段虚拟地址 [va, va+sz) 映射到物理地址 [pa, pa+sz)

对每个页大小（PGSIZE = 4096）调用一次 walk() 查找对应 PTE；
若对应页表项不存在，则 walk() 中分配新的页表页（level 2/1）；
设置 PTE：
- 将物理地址的 PFN 放入 PTE；
- 设置权限标志位：PTE_R / PTE_W / PTE_X / PTE_V

🔹 4. `walk()` 函数

pte_t *walk(pagetable_t pagetable, uint64 va, int alloc)

作用： 模拟硬件多级页表遍历，返回某个虚拟地址对应的 PTE 地址。

使用 Sv39 模式，将虚拟地址拆成三级索引，每级 9 位；
如果中间页表页不存在（PTE_V == 0），并且 alloc == 1，就调用 kalloc() 分配；
直接返回最后一层页表项地址。

🔹 5. `kvminithart()`：启动分页

void kvminithart()
{
  w_satp(MAKE_SATP(kernel_pagetable));  // 写入 root 页表 PFN 到 satp
  sfence_vma();                         // 刷新 TLB
}

这步执行后，分页开启，虚拟地址 → 物理地址翻译生效。

🧠 二、用户地址空间的创建

用户进程的页表是每个进程私有的，由 proc_pagetable() 创建。

🔹 1. 在进程创建时调用 `proc_pagetable()`

pagetable_t proc_pagetable(struct proc *p)

步骤：

分配 root page table；
拷贝 trampoline 和 trapframe 映射；
不映射内核段！

🔹 2. 用户代码映射（比如 exec/load）：

uvmalloc(pagetable, 0, sz, PTE_R|PTE_W|PTE_X)

为用户程序的代码段、数据段分配物理内存，并建立虚拟映射。

底层调用的是 mappages()，和内核页表一样，只是页表对象是用户的。

🔹 3. 用户页表激活

在 scheduler() 中运行进程前，使用 uvm_switch()：

void uvm_switch(pagetable_t pagetable)
{
  w_satp(MAKE_SATP(pagetable));
  sfence_vma();
}

这使得 CPU 开始使用该用户页表。

🔄 页表更新与 TLB

任何对页表的改动（新增/删除 PTE），都要通过 sfence_vma() 来刷新 TLB，否则会使用旧缓存，可能导致严重安全漏洞（如访问别的进程的内存）。

✅ 总结：创建地址空间流程

阶段	关键函数	说明
创建内核页表	`kvminit()` → `kvmmake()` → `kvmmap()`	分配 root，映射内核地址空间
启用分页	`kvminithart()`	设置 satp，启用分页
创建用户页表	`proc_pagetable()`	用户进程私有页表
映射用户程序段	`uvmalloc()` → `mappages()`	分配内存 + 映射
切换页表	`uvm_switch()`	写入 satp，刷新 TLB

🧠 一、内核地址空间的创建

🔹 1. main() 中调用 kvminit()

🔹 2. kvminit() → kvmmake()

🔹 3. kvmmap() → mappages()

🔹 4. walk() 函数

🔹 5. kvminithart()：启动分页