MIT-JOS系列：用户态访问页表项详解
在MIT-JOS lab4的实验中，为了能够在用户态自定义处理页面错误，我们必须要知道操作的页面的属性（是否当前用户具有读写权限、是否copy on write页面），这就需要查询指向当前物理页面的页表项和目录表项获取它的属性
在之前的实验中，我们已经通过e->env_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(e->env_pgdir) | PTE_P | PTE_U;修改UVPT的目录表项，用此操作允许用户读取任一页面的页表项，但没有对其进行详细解释，因此在lab4的应用中遇到了一些障碍：不知道具体是怎么用UVPT定位到一个页面对应的页表项。在这里，将对这个进行详细解释
定义梳理
解释原理前，首先列出各变量和宏的定义，以帮助说明和理解：
uvpt：pte_t uvpt[] = UVPT;uvpd：pde_t uvpd[] = UVPT+(UVPT>>12)*4;
对线性地址la的分解如下：
// A linear address 'la' has a three-part structure as follows:
//
// +--------10------+-------10-------+---------12----------+
// | Page Directory | Page Table | Offset within Page |
// | Index | Index | |
// +----------------+----------------+---------------------+
// \--- PDX(la) --/ \--- PTX(la) --/ \---- PGOFF(la) ----/
// \---------- PGNUM(la) ----------/
PGNUM(la)获取的是虚拟地址la是第几个虚拟页面
UVPT处的内存布局如下：
/* : . :
* : . :
* MMIOLIM ------> +------------------------------+ 0xefc00000
* | Memory-mapped I/O | RW/-- PTSIZE
* ULIM, MMIOBASE --> +------------------------------+ 0xef800000
* | Cur. Page Table (User R-) | R-/R- PTSIZE
* UVPT ----> +------------------------------+ 0xef400000
* | RO PAGES | R-/R- PTSIZE
* UPAGES ----> +------------------------------+ 0xef000000
* | RO ENVS | R-/R- PTSIZE
* UTOP,UENVS ------> +------------------------------+ 0xeec00000
* : . :
* : . :
*/
UVPT占总共PTSIZE的物理内存，每一个页表项4个字节，总共有1024×1024个页表项，这一段足够索引到所有页表项。该段地址以只读权限开放给用户态的程序
虚拟地址与页表的对应关系
首先要明确一点，虽然一个虚拟页面映射到哪个物理页面是随系统分配的，但虚拟页面在页表中的结构总是固定的，例如第0个虚拟页面地址总是0-FFF，它总是对应页表目录的第0项和第0个二级页表的第0项。
页表目录、二级页表和各虚拟页面对应关系如图
页表目录中：
第0个页表项指向第0个二级页表，第0个二级页表映射第0-1023个虚拟页面，每一个条目记载该虚拟页面映射的物理页面的地址。关联第0个二级页表的所有虚拟地址la，其PDX(la)必为0，PDX(la)为0-FFF
第1个页表项指向第1个二级页表，第1个二级页表映射第1024-2047个虚拟页面。关联第1个二级页表的所有虚拟地址la，其PDX(la)必为1，PDX(la)为0-FFF
......
二级页表项访问
以访问uvpt[0]举例，假设当前页表目录为pgdir
uvpt[0]的虚拟地址为0xef400000，二进制为1110111101 0000000000 000000000000，其中第一部分是pdx=1110111101，第二部分是ptx=0，第三部分是pgoff=0
当访问uvpt[0]时：
- 取出虚拟地址的PDX，查找页表目录的第pdx项，其值为
pgdir[PDX(UVPT)]，指向当前页表目录所在的页面，因此找到的二级目录是页表目录 - 取出PTX，查找页表目录的第ptx项（第0项），得到第0个二级目录所在的页面
- 取出PGOFF，查找页面的第pgoff项（第0项），得到第0个二级目录的第0项，其值是一个页表项，对应第0个页面
可以看出若访问uvpt[n]，若将其虚拟地址拆分为pdx, ptx, pgoff, 则能得到虚拟页面编号N=n=ptx*1024+pgoff=(ptx<<12)+pgoff，因此访问uvpt[n]的值能得到第n个虚拟页面的页表项
页表目录项访问
页表目录项访问的过程与二级页表项访问类似
以访问uvpd[0]举例，假设当前页表目录为pgdir
uvpd[0]的虚拟地址为UVPT+(UVPT>>12)*4，同上拆成三部分，其中第一部分是pdx=1110111101，第二部分是ptx=(UVPT>>12)*4>>12，第三部分是pgoff=0
当访问uvpd[0]时：
- 取出虚拟地址的PDX，查找页表目录的第pdx项，其值为
pgdir[PDX(UVPT)]，指向当前页表目录所在的页面，因此找到的二级目录是页表目录 - 取出PTX，查找页表目录的第ptx项（第(UVPT>>12)*4>>12项），这个表项还是指向页表目录所在的页面
- 取出PGOFF，查找页表目录的的第pgoff个表项（第0项）
以此类推，uvpd[n](0<=n<1024)就是页表目录的第n个表项
与访问uvpt[n]相比，其实就是第2个步骤回绕了一下，导致三步查询得到的是目录的表项
与通常的寻址方式类比
通常寻址：
cr3 PDX PTX PGOFF
------->页表目录---------二级页表-------->物理页面-------->值
uvpt[n]：
cr3 PDX PTX PGOFF
------->页表目录---------页表目录-------->二级页表-------->二级页表项
uvpd[n]：
cr3 PDX PTX PGOFF
------->页表目录---------页表目录-------->页表目录-------->目录表项
