Files
Elyz/kernel/docs/memory/paging.md
2026-07-07 16:40:41 +03:00

197 lines
7.7 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters
This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.
# Page Tables и отображение памяти: `paging.rs`
## Концептуальная модель
x86-64 использует **4-уровневую иерархию таблиц страниц**:
```
Виртуальный адрес (48 бит):
┌─────────┬─────────┬─────────┬─────────┬─────────┐
│ PML4 │ PDPT │ PD │ PT │ offset │
│ bits │ bits │ bits │ bits │ (12) │
│ 47:39 │ 38:30 │ 29:21 │ 20:12 │ 11:0 │
└────┬────┴────┬────┴────┬────┴────┬────┴─────────┘
│ │ │ │
▼ ▼ ▼ ▼
PML4 ──► PDPT ──► PD ──► PT ──► Физический фрейм
(512 ent) (512 ent) (512 ent) (512 ent) (4 KiB)
```
Каждая запись (PTE) = 8 байт:
```
Bit 63: NX (No Execute)
Bits 62:52: Ignored/AVL
Bits 51:12: Physical frame address (4KiB aligned)
Bits 11:9: Ignored/AVL
Bits 8: Global
Bits 7: PS (Page Size = 1 GiB для PDPT, 2 MiB для PD)
Bits 6: Dirty
Bits 5: Accessed
Bits 4: PCD (Cache Disable)
Bits 3: PWT (Write Through)
Bits 2: U/S (User/Supervisor)
Bits 1: R/W (Read/Write)
Bit 0: Present
```
## PageTable — представление таблицы
```rust
#[repr(C, align(4096))]
pub struct PageTable {
entries: [u64; 512],
}
```
- `512` entries × 8 байт = 4096 байт (ровно одна страница).
- `align(4096)` — гарантирует, что структура размещается на физической
странице, как требует аппаратура.
## PageTableFlags — битовые флаги
```rust
bitflags! {
pub struct PageTableFlags: u64 {
const PRESENT = 1 << 0;
const WRITABLE = 1 << 1;
const USER = 1 << 2;
const WRITE_THROUGH = 1 << 3;
const NO_CACHE = 1 << 4;
const ACCESSED = 1 << 5;
const DIRTY = 1 << 6;
const HUGE_PAGE = 1 << 7;
const GLOBAL = 1 << 8;
const COW = 1 << 9; // Elyz-specific: Copy-on-Write marker
const NO_EXECUTE = 1 << 63;
}
}
```
Флаг `COW` (бит 9) — Elyz-специфичный, используется в AddressSpace для
маркировки страниц, которые нужно копировать при записи.
## Основные операции PageTable
### map_page(virt, phys, flags) — отображение одной страницы
```rust
pub fn map_page(&mut self, virt: VirtAddr, phys: PhysAddr, flags: PageTableFlags) {
let p1 = self.walk_to_p1_mut(virt, true).expect("...");
let p1_idx = ((virt.0 >> 12) & 0x1FF) as usize;
p1.entries[p1_idx] = phys.0 | flags.bits();
asm!("invlpg [{}]", in(reg) virt.0);
}
```
**Процесс:**
1. `walk_to_p1_mut(virt, create=true)` проходит 4 уровня (P4→P3→P2→P1),
создавая недостающие таблицы через `pmm_alloc()`.
2. Записывает физический адрес с флагами в P1 entry.
3. `INVLPG` — сбрасывает TLB для этой страницы.
### map_region(virt, phys, size, flags) — отображение диапазона
Вызывает `map_page()` для каждой страницы в диапазоне.
`size.div_ceil(4096)` — количество страниц.
### unmap_page(virt) — удаление отображения
```rust
pub fn unmap_page(&mut self, virt: VirtAddr) {
// walk_to_p1_mut(virt, false) — не создаём, только ищем
let Some(p1) = self.walk_to_p1_mut(virt, false) else { return; };
p1.entries[p1_idx] = 0; // Clear PTE
asm!("invlpg [{}]", in(reg) virt.0);
}
```
**Важно:** не освобождает физический фрейм — это ответственность
Caller'а (VMM). Идемпотентна: если PTE нет, ничего не делает.
### translate(virt) — трансляция виртуального адреса
Проходит 4 уровня, проверяя PRESENT на каждом уровне.
Поддерживает huge pages (1 GiB и 2 MiB):
- Если P3 entry имеет HUGE_PAGE — 1 GiB страница.
- Если P2 entry имеет HUGE_PAGE — 2 MiB страница.
### get_flags(virt) / update_flags(virt) — чтение/запись флагов
`get_flags` возвращает флаги PTE для виртуального адреса.
`update_flags` меняет флаги, сохраняя физический адрес, и вызывает INVLPG.
### activate(phys_addr) — загрузка в CR3
```rust
pub unsafe fn activate(&self, phys_addr: PhysAddr) {
asm!("mov cr3, {0}", in(reg) phys_addr.0);
}
```
Полная замена таблиц страниц. Полный TLB flush (без PCID).
В `vmm.rs::AddressSpace::activate()` используется улучшенная версия
с PCID и битом NOFLUSH.
## walk_to_p1_mut — сердце навигации
```rust
fn walk_to_p1_mut(&mut self, virt: VirtAddr, create: bool) -> Option<&mut Self> {
let p4_idx = ((virt.0 >> 39) & 0x1FF) as usize;
let p3_idx = ((virt.0 >> 30) & 0x1FF) as usize;
let p2_idx = ((virt.0 >> 21) & 0x1FF) as usize;
let p3 = self.get_or_create_next_table(p4_idx, create)?;
let p2 = p3.get_or_create_next_table(p3_idx, create)?;
p2.get_or_create_next_table(p2_idx, create)
}
```
### get_or_create_next_table(index, create) — следующий уровень
```rust
fn get_or_create_next_table(&mut self, index: usize, create: bool) -> Option<&mut Self> {
if entry & PRESENT == 0 {
if !create { return None; }
// Аллоцируем новый фрейм для таблицы
let pt_phys = pmm_alloc().expect("OOM");
// Обнуляем (все entry = 0 = not present)
core::ptr::write_bytes(pt_virt.as_mut_ptr::<u8>(), 0, 4096);
// Устанавливаем entry: PRESENT | WRITABLE | USER
self.entries[index] = pt_phys.0 | (PRESENT | WRITABLE | USER);
}
// Преобразуем физический адрес entry в ссылку на PageTable
let next_phys = PhysAddr(self.entries[index] & PTE_ADDR_MASK);
Some(unsafe { &mut *next_phys.to_virt().as_mut_ptr::<Self>() })
}
```
### pte_addr_mask — маска адреса
```rust
const PTE_ADDR_MASK: u64 = 0x000F_FFFF_FFFF_F000;
```
Биты 51:12 — физический адрес с выравниванием 4KiB.
(0x000F_FFFF_FFFF_F000 = 52 бита адреса, очищенные нижние 12 бит).
## pmm_alloc — шлюз к PMM
```rust
pub fn pmm_alloc() -> Option<PhysAddr> {
PMM.lock().as_mut()?.alloc_frame()
}
```
Тонкая обёртка, чтобы избежать циклической зависимости между paging и pmm.
## Ключевые инварианты
1. Каждая PageTable занимает ровно одну физическую страницу (4 KiB).
2. Физический адрес таблицы всегда 4KiB-выровнен.
3. Все intermediate таблицы создаются с флагом USER (чтобы и ядро,
и пользователь могли их использовать). Разделение на user/kernel
контролируется на уровне P1 entry.
4. `INVLPG` вызывается после каждого изменения PTE для консистентности TLB.