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Issue created by 孙浩宇@shyliuliMaintainer

子 issue #5：内存管理与 TLB

子 issue #5：内存管理与 TLB

描述

实现 LoongArch64 的页表管理和 TLB 操作，使内核能建立虚拟地址映射、创建用户态地址空间。

依赖

  • #3 (closed)（Boot 启动完成）
  • #4 (closed)（异常处理框架完成，因为 TLB 重填是异常处理的一部分）

需要实现的文件

文件 说明
kernel/src/arch/loongarch64/paging.rs PageTableImpl 完整实现（实现 PageTable + PageTableExt trait）、PageEntry（实现 Entry trait）
kernel/src/arch/loongarch64/memory.rs init()（物理内存探测与初始化）、set_page_table()（地址空间切换）、get_page_fault_addr()
kernel/src/arch/loongarch64/tlb.rs（可选） TLB 操作封装：重填、无效化、查询

关键技术点

LoongArch 页表格式

  • 多级页表：通常配置为 4 级（PGD→PUD→PMD→PTE），也可 3 级
  • 页大小：支持 4KB/16KB/64KB 等，建议使用 4KB 以与 riscv 保持一致
  • 页表项格式（64 位）：
位域 名称 说明
[0] V 有效位
[1] D 脏位
[3:2] PLV 特权等级（0=内核, 3=用户）
[5:4] MAT 存储访问类型（0=强序非缓存, 1=一致可缓存）
[6] G 全局位
[7] P 物理页存在位（用于 swap）
[8] W 可写位
[11] NR 不可读位
[12] NX 不可执行位
[13] RPLV 限制性特权等级
[63:12] PPN 物理页号

TLB 管理（重点与难点）

  • LoongArch 使用软件管理 TLB，与 RISC-V 的硬件页表遍历不同
  • TLB miss 触发 TLBR(0x3F) 异常，由内核软件负责查页表并填写 TLB
  • 关键 TLB 操作指令：
    • TLBSRCH：搜索 TLB 条目
    • TLBRD：读 TLB 条目
    • TLBWR：写 TLB 条目（覆盖 TLBSRCH 命中的条目）
    • TLBFILL：随机写入 TLB 条目
    • INVTLB op, rj, rk：无效化 TLB（op 控制无效化范围）
  • TLB 重填入口独立配置：CSR.TLBRENTRY

关键 CSR 寄存器

CSR 说明
CSR.PGDL 低半地址空间（用户态）页全局目录基址
CSR.PGDH 高半地址空间（内核态）页全局目录基址
CSR.PWCL 页表遍历配置低位（各级页表的位宽和起始位）
CSR.PWCH 页表遍历配置高位
CSR.STLBPS STLB 页大小（决定 TLB 条目对应的页面大小）
CSR.TLBRENTRY TLB 重填异常入口地址
CSR.TLBREHI / CSR.TLBRELO0 / CSR.TLBRELO1 TLB 重填用临时寄存器
CSR.BADV 缺页异常的错误虚拟地址
CSR.ASID 地址空间标识符（进程切换时更换以减少 TLB flush）

与 rcore-memory crate 对接

  • PageTableImpl 需实现 PageTable trait：map, unmap, get_entry, get_page_slice_mut, flush_cache_copy_user
  • PageTableImpl 需实现 PageTableExt trait：new_bare, map_kernel, token, set_token, active_token, flush_tlb
  • PageEntry 需实现 Entry trait 的所有方法（约 20+ 方法映射到 LoongArch PTE 格式）

DMW 与页表的关系

  • 内核使用 DMW（直接映射窗口）进行固定映射，无需通过页表
  • 用户地址空间通过 TLB + 页表映射
  • set_page_table() 实际设置 CSR.PGDL（用户地址空间的页表基址）

实现建议

  1. 先实现 DMW 配置（#3 (closed) 已部分完成），确保内核地址空间正常访问
  2. 再实现页表创建和映射（PageTableImpl）
  3. 最后实现 TLB 重填异常处理程序，接入 #4 (closed) 的异常分发框架
  4. 可以先用简单的 flush-all 策略（INVTLB 0x0, $zero, $zero），后续优化为 ASID-based

完成标准

  1. 内核能创建用户态页表并映射页面
  2. TLB 重填异常能正确处理（用户态访存不 panic）
  3. set_page_table() 能切换地址空间
  4. 缺页异常能正确报告故障地址（get_page_fault_addr() 返回 CSR.BADV）

父任务：#1

Edited by 孙浩宇