xv6 中地址空间的创建、TLB 处理与 sfence.vma 指令详解

1. 地址空间创建（Creating Address Space）

xv6 的地址空间通过多级页表（RISC-V Sv39，三级）实现虚拟地址到物理地址的映射。根据用途可分为：

  • 内核地址空间
  • 用户进程地址空间

a. 内核地址空间

系统启动时创建，仅一个实例，所有内核态共享。

kvmmake()

  • 创建内核页表的入口：

    kpgtbl = (pagetable_t) kalloc();
memset(kpgtbl, 0, PGSIZE);

  • 使用 kvmmap() 建立各类内核映射。

kvmmap()

内部调用 mappages() 处理页表项，具体映射包括：

  • MMIO 映射（恒等映射）

    kvmmap(kpgtbl, UART0, UART0, PGSIZE, PTE_R | PTE_W);
kvmmap(kpgtbl, VIRTIO0, VIRTIO0, PGSIZE, PTE_R | PTE_W);
kvmmap(kpgtbl, PLIC, PLIC, 0x4000000, PTE_R | PTE_W);

  • 内核代码段映射

    kvmmap(kpgtbl, KERNBASE, KERNBASE, etext - KERNBASE, PTE_R | PTE_X);

  • 内核数据段映射

    kvmmap(kpgtbl, etext, etext, PHYSTOP - etext, PTE_R | PTE_W);

  • trampoline 页（高地址处）

    kvmmap(kpgtbl, TRAMPOLINE, trampoline, PGSIZE, PTE_R | PTE_X);

b. 用户地址空间

每个进程独立拥有，生命周期随进程创建/销毁。

uvmcreate()

创建根页表页并清零，返回空页表。

地址空间填充相关函数：

  • uvmfirst()：为第一个用户进程 init 分配页面并加载代码。
  • uvmalloc()：进程扩展内存时分配新页并建立映射。
  • uvmcopy()：fork 时复制父进程内存到子进程。

c. 页表操作机制

walk()

模拟三级页表查找过程：

  • 遇到缺失页表时可选分配。
  • 最终返回最底层 PTE 指针。

mappages()

结合 walk 为虚拟地址范围建立映射，设置权限。

2. TLB 的处理

a. 什么是 TLB？

  • TLB（Translation Lookaside Buffer）是 CPU 中的高速缓存。
  • 缓存最近使用的 VA→PA 映射（PTE）。

b. 为什么需要处理 TLB？

修改页表（如 mappages 或 uvmunmap）后：

  • TLB 中可能还存在过期映射
  • 若不刷新，CPU 可能使用旧权限或访问已释放页，造成错误。

解决方式：刷新 TLB，通知 CPU 不再使用旧条目。

3. sfence.vma 指令

RISC-V 的Supervisor Fence for Virtual Memory Access 指令，用于刷新 TLB。

a. sfence.vma 的作用

  • 保证之后的地址访问会使用最新页表
  • 防止使用已失效的页表缓存项

b. 在 xv6 中的使用

位于 kvminithart() 中，每个 CPU 启动时执行：

void kvminithart() {
  sfence_vma();  // 第一次：确保页表写入完成
  w_satp(MAKE_SATP(kernel_pagetable)); // 加载页表
  sfence_vma();  // 第二次：确保使用新页表，清除旧 TLB 项
}

执行顺序说明：

  1. 第一次 sfence_vma() 确保页表初始化已生效

  2. 设置 satp 启用分页并指定页表根地址

  3. 第二次 sfence_vma() 清除 TLB 中的旧条目，强制使用新页表

总结

  • 地址空间创建： 内核和用户通过页表映射管理内存
  • TLB 问题： 硬件缓存可能滞后，需及时清除
  • sfence.vma： 指令用于强制 TLB 刷新，确保页表更新生效