RiscV 中从超级用户模式到用户模式的地址转换

Question

假设我们在支持 M、S 和 U 模式的 HART 上，并且当前处于启用虚拟地址的 S 模式，并且

satp

指向当前 PTE 表（内核 PTE 表）。

现在假设我们要在 U 模式下启动一个进程，那么我首先分配所有所需的页面并填充新的进程 PTE 表（通过手动将主管虚拟地址转换为物理地址）。然而，在使用

sret

切换到 U 模式之前，我们首先需要加载进程 PTE 表的地址，因为在 U 模式下

satp

将无法访问。

但是当我们使用用户 PTE 表更新

satp

时，我们将无法访问我们的内核代码，因为

satp

立即开始转换虚拟地址，并且从现在起我们将只访问进程内存而不访问内核内存

 satp

不再指向内核 PTE 表。

我们也应该无法访问下一条指令，因为

pc

持有由旧PTE表管理的虚拟地址，因此不再有效，因为现在

satp

指向新的PTE表。

我找到的唯一解决方案是暂时关闭内核虚拟内存，手动翻译内核虚拟地址来存储内核内容，跳转到新PTE表指向的页面，在

satp

中加载新进程PTE表从而进入在用户进程虚拟内存中，然后发出

sret

进入 U 模式。

为用户进程启用虚拟内存而不干扰内核虚拟内存的正确方法是什么？

当我们想要管理在 S 模式下在 U 模式下发出的中断时，也会出现同样的问题。如果管理程序中断向量表存储在内核虚拟内存中而不是物理内存中，那么当用户进程引起中断时，MMU 将使用虚拟地址通过

satp

查找中断向量表，但

satp

现在指向不映射 IVT 的用户进程 PTE 表。

即使在这种情况下，我找到的唯一解决方案是在管理模式下暂时禁用虚拟内存，以便找到应该存储在众所周知的物理地址的内核 PTE 表的位置，以便在没有 MMU 的情况下找到该表。

有不依赖于禁用内核虚拟内存的解决方案吗？为什么 RiscV 规范没有添加新的 CSR 来仅在用户模式下管理地址转换？

Answer 1

但是当我们使用用户 PTE 表更新 satp 时，我们将无法访问内核代码，因为 satp 立即开始翻译虚拟地址，并且我们将仅访问进程内存而不是内核内存，因为现在 satp 不指向不再查看内核 PTE 表。

...

为用户进程启用虚拟内存而不干扰内核虚拟内存的正确方法是什么？

...

我可以想到两种方法：

解决方案1

将内核页面映射到每个用户进程的页表中，并清除内核页面 PTE 中的

U

位。这允许在 S 模式下运行的内核访问这些页面（在处理异常或中断时），并且如果在 U 模式下运行的进程尝试执行相同操作，则会触发页面错误。设置

SUM

位还可以让内核访问进程页面。

可以为内核 PTE 设置

G

（全局）位，以便在上下文切换之间在 TLB 中维护内核页面映射，从而提高性能。

这是在 Linux 内核和 egos-2000 的 端口

中完成的

解决方案2

内核有单独的页表。但保留一个映射到内核和进程页表的 trampoline 页，并保存修改

satp

和特权模式的代码。当切换到用户进程时，内核会跳转到该蹦床，并且异常和中断从蹦床中的某些代码开始，这些代码在跳转到相应的处理程序之前指向内核页表。这节省了空间（更少的页表映射），但使上下文切换的成本更高一些。

xv6 操作系统的人们选择了这种方法。