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+# 内存管理
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+`segment fault` 这个错误，不知道大家在平时是否见过，这个错误出现的一个很常见的原因就是
+在用户空间运行的程序访问了内核空间的内存。
+
+那操作系统是如何实现内核和用户空间的管理的呢？这一节将结合龙芯的结构特点，来介绍。
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+## 映射窗口
+
+建议先阅读《loongarch 指令集手册》第五章，了解 loongarch 的虚实地址翻
+译机制。
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+阅读完成后，我们讲解一下其中的重点。
+在 LoongArch 架构中，MMU 支持两种虚拟地址到物理地址的转换模式：直
+接地址转换模式和映射地址转换模式
+我们重点关注映射地址转换模式
+映射地址转换模式，有两种类型的地址转换模式：直接映射地址转换模式
+（直接映射模式）和页表映射地址转换模式（页表映射模式）。
+
+在转换地址时，优
+先使用直接映射模式。只有在直接映射模式无法转换地址时，才使用页表映射模
+式进行转换。
+
+在 LA64 中，在使用页表映射模式时，虚拟地址空间合法性的规则如下：合
+法虚拟地址的 [63:PALEN] 位必须与 [PALEN-1] 位相同，否则将触发地址错误
+异常（ADE）。然而，在直接映射模式下，不需要进行此地址合法性检查。
+我们看到，在间接映射模式下，页表映射模式的合法规则非常的严格，这就
+
+意味着很多的地址无法使用页表映射模式进行转换。但是，我们可以利用这个特
+性，来实现一些特殊的功能。比如在 riscv 版本中，内核和用户空间都是利用页
+表来进行地址转换的，而在 loongarch 中，** 我们可以利用直接映射模式来实现内
+核空间的地址转换，而利用页表映射模式来实现用户空间的地址转换。 **
+
+前面提到，利用直接映射模式来实现内核空间的地址转换，而利用页表映
+射模式来实现用户空间的地址转换，那么我们需要一段无法用页表映射模式
+进行地址转换的地址空间，用这一段空间来实现内核空间的地址转换。如果
+PALEN 等于 48，且 DMWO 被设置为 0x9000000000000011 1 ，则虚拟地址空间
+0x9000000000000000-0x9000FFFFFFFFFFFF 将直接映射到物理地址空间 0x0-
+0xFFFFFFFFFFFF
+
+所以我们在 memlayout.h 里面定义
+
+```c
+#ifdef __ASSEMBLY__
+#define _CONST64_(x)    x
+#else
+#define _CONST64_(x)    x ## L
+#endif
+
+#define DMW_PABITS	48
+
+#define CSR_DMW1_PLV0	_CONST64_(1 << 0)
+#define CSR_DMW1_MAT	_CONST64_(1 << 4)
+#define CSR_DMW1_VSEG	_CONST64_(0x9000)
+#define CSR_DMW1_BASE	(CSR_DMW1_VSEG << DMW_PABITS)
+#define CSR_DMW1_INIT	(CSR_DMW1_BASE | CSR_DMW1_MAT | CSR_DMW1_PLV0)
+```
+
+这段代码定义了一些宏，用来设置 DWM1 寄存器的值。
+
+• 将物理地址 0x0-0xFFFFFFFFFFFF 映射到虚拟地址 0x9000000000000000-
+0x9000FFFFFFFFFFFF
+
+• 将 PALEN 设置为 48
+
+我们现在已经设置了地址转换模式，我们的目的是把它作为内核空间的地
+址转换模式，所以我们需要把内核的代码和数据放在这段地址空间中。
+我们把这一步目标放在 kernel.ld 文件上
+
+```c
+OUTPUT_ARCH ( " loongarch " )
+ENTRY( _entry )
+SECTIONS
+{
+    /*
+    * ensure that entry .S / _entry is at 0 x9000000000000000 ,
+    * where qemu 's -kernel jumps .
+    */
+    . = 0 x9000000000000000 ;
+    .text : {
+        ...
+    }
+    . rodata : {
+        ...
+    }
+    .data : {
+        ...
+    }
+    .bss : {
+        ...
+    }
+    PROVIDE (end = .);
+}
+```
+我们让内核从虚拟地址 0x9000000000000000 开始，这样就可以利用直接映
+射模式来进行地址转换了，我们初步的目的就达成了。
+
+UEFI bios 装载内核时，实际跳转到的地址将是 0x0，这也是内核的物理起
+始地址。
+
+而我们现在需要设置 DMW1 寄存器，来实现用户空间的地址转换，我们在
+entry.S 中设置 DMW1 寄存器
+
+```c
+li.d $t0 , CSR_DMW1_INIT
+csrwr $t0 , 0x181
+```
+
+我们设置直接映射窗口前，没有地址映射，所以 PC 只能直接使用物理地
+址，也就是 0x0 0xFFFFFFFFFFFF，而我们设置了直接映射窗口后，PC 就应
+该使用虚拟地址，我们应该按照我们设置的规则来设置 PC，也就是让 PC 使用
+0x9000000000000000 0x9000FFFFFFFFFFFF 这段地址空间。
+
+我们在 entry.S 中设置 PC
+
+
+```c
+	# 计算ertn后一条指令的虚拟地址
+	li.d	$t0, CSR_DMW1_BASE
+	pcaddi	$t1, 0x5		    # ------+
+	add.d	$t0, $t0, $t1	    #       |
+                                #       |
+    # 将虚拟地址写入tlbrera        #      |  
+	# 并设置tlbrera.IsTLBR	     #       |
+	ori	$t0, $t0, 0x01		    #	    |
+	csrwr	$t0, 0x8a		    #       |
+	ertn				        #       |
+                                #	    |
+	la.abs	$sp, stack0+4096	# <-----+
+	csrrd	$t0, 0x20		    # CPUID
+```
+
+这里首先算出 extn 后一条指令的虚拟地址，也就是 PC+CSR_DMW1_BASE+5，
+然后将这个虚拟地址写入 tlbrera 寄存器，也就是在 tlb 重填例外后的返回地址 2 ，
+这样 tlb 重填例外返回后，PC 就会跳转到这个虚拟地址，我们也就达到了设置
+PC 的目的。
+
+值得一提的是，我们之所以要利用例外来设置 PC，是因为在某些处理器中，
+没有提供直接设置 PC 的指令，只能通过 branch 等指令来设置 PC，但是，也
+有一些架构支持直接写入 PC，但是 loongarch 不支持，所以我们通过例外来设
+置 PC。
+
+## 页表
+
+>需要先阅读龙芯手册 5.4 节内容。
+
+大家在写程序的时候是否考虑过内存地址呢？除了少部分内核专用的地址，我们的进程
+好像拥有着整个内存空间，这是如何实现的呢？答案就是页表。
+
+比如进程A在0x114514处写入了一个数据，进程B在0x114514处读取了一个数据，这个时候，进程B读取到的数据是什么呢？是进程A写入的数据吗？答案是不一定。
+
+操作系统通过页表机制实现了对内存空间的控制。页表使得 xv6 能够让不同进程各自的地址空间映射到相同的物理内存上，还能够为不同进程的内存提供保护。 
+
+
+xv6-loongarch 版的页表结构见龙芯手册。
+
+我们定义了虚拟地址共 48 位，在 loongarch 中使用页表时，如果 VA[47] =
+0, 使用 CSR.PGDL 作为目录基址。如果 VA[47] = 1, 使用 CSR.PGDH 作为目
+录基址。剩下的 47 位用于遍历页表。
+
+**xv6-longarch 只使用了 PGDL 相当于只有 47 位虚拟地址，这 47 位虚
+拟地址全留给用户空间使用，内核使用映射窗口。**
+
+这样就把这 47 为虚拟地址分割成了 8 + 9 + 9 + 9 + 12 这种格式，使用的
+是四级页表，页大小为 4KB。
+
+看完了页表的结构，我们来根据页表的结构查看和查找页表有关的代码。
+```c
+pte_t *
+walk(pagetable_t pagetable, uint64 va, int alloc)
+{
+  if(va >= MAXVA)
+    panic("walk");
+
+  for(int level = 3; level > 0; level--) {
+    pte_t *pte = &pagetable[PX(level, va)];
+    
+    // 检查对应页表项是否有效
+    if(*pte & PTE_V) {
+      pagetable = (pagetable_t)(PTE2PA(*pte) | KERNBASE);
+    } else {
+      // 如果需要分配新的页表，并且分配失败则返回0
+      if(!alloc || (pagetable = (pde_t*)allocpage()) == 0)
+        return 0;
+      
+      // 将新分配的页表清零
+      memset(pagetable, 0, PGSIZE);
+      
+      // 将当前页表项设置为指向新分配的页表，并标记为有效
+      *pte = PA2PTE(pagetable) | PTE_V;
+    }
+  }
+  
+  // 返回虚拟地址对应的页表项指针
+  return &pagetable[PX(0, va)];
+}
+// Look up a virtual address, return the physical address,
+// or 0 if not mapped.
+// Can only be used to look up user pages.
+uint64
+walkaddr(pagetable_t pagetable, uint64 va)
+{
+  pte_t *pte;
+  uint64 pa;
+
+  if(va >= MAXVA)
+    return 0;
+
+  // 调用walk函数，获取对应虚拟地址的页表项指针
+  pte = walk(pagetable, va, 0);
+  
+  // 如果页表项指针为空，返回0
+  if(pte == 0)
+    return 0;
+  
+  // 检查页表项是否有效
+  if((*pte & PTE_V) == 0)
+    return 0;
+  
+  // 检查页表项是否为页表项指针
+  if((*pte & PTE_PLV) == 0)
+    return 0;
+  
+  // 获取物理地址
+  pa = PTE2PA(*pte);
+  
+  // 返回物理地址
+  return pa;
+}
+```
+
+在页表查找中，这两个函数非常重要，walk函数用于查找虚拟地址对应的页表项，walkaddr函数用于查找虚拟地址对应的物理地址。
+
+其他的关于页表的操作，比如创建页表，释放页表，映射页表，都是在vm.c中实现的。
+
+我们再来看一个函数
+
+```c
+// Copy from kernel to user.
+// Copy len bytes from src to virtual address dstva in a given page table.
+// Return 0 on success, -1 on error.
+int
+copyout(pagetable_t pagetable, uint64 dstva, char *src, uint64 len)
+{
+  uint64 n, va0, pa0;
+
+  while(len > 0){
+    // 获取虚拟地址所在的页的起始地址
+    va0 = PGROUNDDOWN(dstva);
+    
+    // 获取虚拟地址对应的物理地址
+    pa0 = walkaddr(pagetable, va0);
+    
+    // 如果物理地址为0，表示无效，返回错误
+    if(pa0 == 0)
+      return -1;
+    
+    // 计算可以复制的数据大小，受到页面边界的限制
+    n = PGSIZE - (dstva - va0);
+    
+    // 如果剩余数据长度小于n，则只复制剩余长度
+    if(n > len)
+      n = len;
+    
+    // 将数据从源地址复制到目标物理地址
+    memmove((void *)((pa0 + (dstva - va0)) | KERNBASE), src, n);
+
+    // 更新剩余长度和源地址指针
+    len -= n;
+    src += n;
+    
+    // 更新目标虚拟地址为下一个页的起始地址
+    dstva = va0 + PGSIZE;
+  }
+  
+  // 复制完成，返回成功
+  return 0;
+}
+
+```
+
+因为内核地址和用户空间地址不一样，所以当需要从内核读取数据到用户空间时（比如ls时会读取内核中文件的stat结构体），需要使用copyout函数。
+
+## 总结
+
+所以对于内存管理，总的来说，在内核空间，物理地址和虚拟地址之间差一个 `kernel base`，
+在用户空间，虚拟地址和用户地址之间没有明确的数学关系，需要通过页表来进行转换。
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