实验：页表

在本实验中，你将探索页表并对其进行修改，以简化从用户空间复制数据到内核空间的函数。

开始实验前，切换到 pgtbl 分支：

  $ git fetch
  $ git checkout pgtbl
  $ make clean
  

打印页表

为了帮助你学习 RISC-V 页表，并可能有助于将来的调试，你的第一个任务是编写一个函数来打印页表的内容。

现在，当你启动 xv6 时，它应该打印如下输出，描述第一个进程在刚完成 exec() init 时的页表：

page table 0x0000000087f6e000
..0: pte 0x0000000021fda801 pa 0x0000000087f6a000
.. ..0: pte 0x0000000021fda401 pa 0x0000000087f69000
.. .. ..0: pte 0x0000000021fdac1f pa 0x0000000087f6b000
.. .. ..1: pte 0x0000000021fda00f pa 0x0000000087f68000
.. .. ..2: pte 0x0000000021fd9c1f pa 0x0000000087f67000
..255: pte 0x0000000021fdb401 pa 0x0000000087f6d000
.. ..511: pte 0x0000000021fdb001 pa 0x0000000087f6c000
.. .. ..510: pte 0x0000000021fdd807 pa 0x0000000087f76000
.. .. ..511: pte 0x0000000020001c0b pa 0x0000000080007000
  

你的代码可能会产生与上面显示的不同物理地址。入口数量和虚拟地址应该相同。

一些提示：

• 你可以将 vmprint() 放在 kernel/vm.c 中。
• 使用文件 kernel/riscv.h 末尾的宏。
• 函数 freewalk 可能会有启发。
• 在 kernel/defs.h 中定义 vmprint 的原型，以便你可以从 exec.c 中调用它。
• 在 printf 调用中使用 %p 来打印完整的 64 位十六进制 PTE 和地址，如示例所示。

每个进程一个内核页表

Xv6 有一个单一的内核页表，在内核中执行时使用。内核页表是直接映射到物理地址的，因此内核虚拟地址 x 映射到物理地址 x。Xv6 还为每个进程的用户地址空间维护一个独立的页表，其中只包含该进程用户内存的映射，从虚拟地址零开始。由于内核页表不包含这些映射，用户地址在内核中是无效的。因此，当内核需要使用系统调用中传入的用户指针时（例如传递给 write() 的缓冲区指针），内核必须先将该指针转换为物理地址。本节和下一节的目标是允许内核直接解引用用户指针。

请阅读本作业开头提到的书籍章节和代码；理解了虚拟内存的工作原理后，修改虚拟内存代码会更容易。页表设置中的 bug 可能导致由于缺少映射而触发陷阱，可能导致加载和存储操作影响意外的物理内存页，还可能导致从错误的内存页执行指令。

一些提示：

• 在 struct proc 中添加一个字段用于存储进程的内核页表。
• 为新进程创建内核页表的一个合理方式是实现 kvminit 的修改版本，让它创建新的页表而不是修改 kernel_pagetable。你需要从 allocproc 中调用这个函数。
• 确保每个进程的内核页表中都有该进程内核栈的映射。在未修改的 xv6 中，所有内核栈都在 procinit 中设置。你需要将部分或全部功能移到 allocproc 中。
• 修改 scheduler() 以将进程的内核页表加载到核心的 satp 寄存器中（参见 kvminithart 作为参考）。不要忘记在调用 w_satp() 之后调用 sfence_vma()。
• 当没有进程运行时，scheduler() 应该使用 kernel_pagetable。
• 在 freeproc 中释放进程的内核页表。
• 你需要一种方法来释放页表，但不同时释放叶子节点的物理内存页。
• vmprint 可能对调试页表很有用。
• 可以修改 xv6 的函数或添加新函数；你可能至少需要在 kernel/vm.c 和 kernel/proc.c 中这样做。（但不要修改 kernel/vmcopyin.c、kernel/stats.c、user/usertests.c 和 user/stats.c。）
• 缺少页表映射可能会导致内核遇到缺页异常。它会打印包含 sepc=0x00000000XXXXXXXX 的错误信息。你可以在 kernel/kernel.asm 中搜索 XXXXXXXX 来找出异常发生的位置。

简化 copyin/copyinstr

该方案依赖于用户虚拟地址范围不与内核用于自身指令和数据的虚拟地址范围重叠。Xv6 使用从零开始的虚拟地址作为用户地址空间，幸运的是内核的内存从更高的地址开始。然而，该方案确实将用户进程的最大大小限制为小于内核的最低虚拟地址。内核启动后，该地址在 xv6 中是 0xC000000，即 PLIC 寄存器的地址；参见 kernel/vm.c 中的 kvminit()、kernel/memlayout.h 以及教材中的图 3-4。你需要修改 xv6 以防止用户进程增长超过 PLIC 地址。

一些提示：

• 先将 copyin() 替换为调用 copyin_new，使其正常工作，然后再处理 copyinstr。
• 在内核每次更改进程的用户映射时，以相同方式更改进程的内核页表。这些位置包括 fork()、exec() 和 sbrk()。
• 不要忘记在 userinit 中将第一个进程的用户页表包含在其内核页表中。
• 在进程的内核页表中，用户地址的 PTE 需要什么权限？（设置了 PTE_U 的页在内核模式下无法访问。）
• 不要忘记上面提到的 PLIC 限制。

Linux 使用了一种与你实现的类似的技术。直到几年前，许多内核在用户空间和内核空间中使用相同的每进程页表，其中包含用户地址和内核地址的映射，以避免在用户空间和内核空间之间切换时必须切换页表。然而，这种设置允许侧信道攻击，如 Meltdown 和 Spectre。

提交实验

在提交你对实验的最终更改后，运行 make handin 来提交你的实验。

$ git commit -am "ready to submit my lab"
[util c2e3c8b] ready to submit my lab
 2 files changed, 18 insertions(+), 2 deletions(-)

$ make handin
tar: Removing leading `/' from member names
Get an API key for yourself by visiting https://6828.scripts.mit.edu/2020/handin.py/
Please enter your API key: XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
  % Total    % Received % Xferd  Average Speed   Time    Time     Time  Current
                                 Dload  Upload   Total   Spent    Left  Speed
100 79258  100   239  100 79019    853   275k --:--:-- --:--:-- --:--:--  276k
$

如果你运行 make handin 时有未提交的更改或未跟踪的文件，你将看到类似以下的输出：

 M hello.c
?? bar.c
?? foo.pyc
Untracked files will not be handed in.  Continue? [y/N]

如果 make handin 无法正常工作，请尝试修复 curl 或 Git 命令的问题。或者你可以运行 make tarball。这将为你生成一个 tar 文件，然后你可以通过我们的网页界面上传。

可选挑战练习

• 使用超级页来减少页表中 PTE 的数量。
• 扩展你的解决方案以支持尽可能大的用户程序；即消除用户程序必须小于 PLIC 的限制。
• 取消映射用户进程的第一页，使解引用空指针将导致异常。你需要将用户代码段从例如 4096 开始，而不是 0。