笔者认为，Linux 操作系统（Operating System）最核心的机制是虚拟内存（Virtual Memory）。因为，操作系统主要作用是将硬件环境抽象起来，给在其中运行的应用（Applications）提供一个统一的、抽象的运行环境（Execution Environment），使得应用（Applications）专注于为用户提供各种各样的业务逻辑（Business Logics）。其中，虚拟内存提供了核心的支撑作用。

从下（底层，baremetal）往上看，运行的程序与外界交互，主要是与主存（Main Memory）、外围设备（Peripheral Devices）交互（Access，Read/Write，IO）都是通过对其对应的地址（Addresses）进行读写操作（Read/Write Operations）来实现的。

而操作系统为了统一管理与外界的交互，使得，在操作系统上运行的应用（Applications）需要间接地（Indrectly）实现地址的访问，也就是通过操作系统来实现交互。那么，虚拟内存就提供了这么一个机制，通过不同的页表（Page Table）为每个应用提供一个独立的地址空间（Address Space），然后，该地址空间的地址，通过对应的页表，转换成实际的物理地址（Physical Address），从而，对外界进行访问。

这里所说的虚拟地址（Virtual Address, VA），主要指的 CPU load/store/branch 等指令所使用的地址。而物理地址（Physical Address, PA），主要指的是SoC上的总线地址，即经过总线的路由（Routing）后，指派到对应的设备上。

也就是说，在没有虚拟地址转换时，虚拟地址等于物理地址。

基于上述概念，以 RISCV Linux 以及 RISCV Sv39 为例，通过一系列的文章，详细地梳理清楚在 RISCV Sv39 上，Linux 是如何实现其虚拟内存机制的。

（顺便提一句，vmlinux 中的 vm，就是 virtual memory 的缩写）

这是该系列的第一篇文章，主要讲述 RISCV Sv39。

RISCV Sv39 指 64 位的 RISCV CPU 中，其有效虚拟地址位数为 39 位，也就是有效位（Effective bits）为 0 - 38，另，39 - 64 的值与 bit 38 一样。也就是 Two's Complement 的计数方式，方便地址的计算与划分。

The RISC-V Instruction Set Manual: Volume II Privileged Architecture. P 11.4.
Instruction fetch addresses and load and store effective addresses,which are 64 bits, must have bits 63–39 all equal to bit 38, or else a page-fault exception will occur.
The 27-bit VPN is translated into a 44-bit PPN via a three-level page table, while the 12-bit page offset is untranslated.

即，根据RISCV Sv39 规定，39位有效虚拟地址被划分为4段，高位三段为虚拟页表索引号（Virtual Page Number），低12位为页表偏移量（Page Offset）。

另外，Sv39 规定，物理地址有效位数为 56 位，即 0 - 55。如下：

另外，页表项 PTE （Page Table Entry）的设计，如下：

这里需要注意的是，在RISCV 64 位的CPU角度上看，其访问的地址（Virtual Address）是64位的。当 CPU 中的虚拟地址转换模式（Virtual Address Translation Mode）被选定后，如 Sv39，那么，64位的CPU访问地址（CPU Access Virtual Address），将装换成虚拟地址转换模式指定的虚拟地址，如 Sv39 虚拟地址（Sv39 Virtual address）。其转换规则由其转换模式规定，如Sv39 规定，低39位CPU访问地址有效，高位值必须等于 bit 38，类似符号扩展（sign extension）。基于，转换模式，可以找到其对应的虚拟地址转换模式指定的物理地址，如 Sv39 物理地址（Sv39 Physical Address），56位有效位的物理地址。然后，通过 0 扩展模式（zero extension）将其装换成机器级（machine level）物理地址（physical address），也就是上面所说的SoC总线地址（Bus Address）。

也就是，从CPU角度出发，地址的转换如下：

虚拟地址（Virtual Address, VA）/ CPU访问地址（CPU Access Virtual Address）/ 逻辑地址（Logical Address )

-- 符号扩展（sign extension）--

==> Sv39 虚拟地址（Sv39 Virtual address）（VPN + Page Offset）

-- 虚拟地址转换模式 --

==> Sv39 物理地址（Sv39 Physical Address）（PPN + Page Offset）

-- 0 扩展模式（zero extension）--

==> 机器级（machine level）物理地址（physical address, PA）/ SoC总线地址（Bus Address）

通过 S mode 下的 satp 控制状态寄存器（Control Status Register, CSR），设定虚拟地址转换模式，如 Sv39，即物理根页表号（Root PPN），如下：

其转换过程如下：

其中，虚拟地址到物理地址的转换过程，大致如下：（在不考虑PTE属性的情况下）

#define XLEN (64) // 64 bits RISCV CPU
#define BITS_IN_BYTE (8) // 1 Byte = 8 bits
#define SATP_PPN_MASK (0x0fff'ffff'ffff)
#define PAGE_SIZE_BITS (12) // 4KB per page
#define PAGE_SIZE (1 << PAGE_SIZE_BITS)
#define PTE_SIZE (XLEN / BITS_IN_BYTE) // 8 Bytes per PTE
#define PTE_ENTRIES_PER_PAGE (PAGE_SIZE / PTE_SIZE) // 512 entries per page
#define Level_0_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9 + 9)
#define Level_1_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9)
#define Level_2_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS)PTE* level_0_page_table = (satp & SATP_PPN_MASK) << PAGE_SIZE_BITS
PTE* level_1_page_table = level_0_page_table[(va >> (Level_0_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
PTE* level_2_page_table = level_1_page_table[(va >> (Level_1_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
PTE* leaf_PTE = level_2_page_table[(va >> (Level_2_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
void * pa = leaf_PTE.ppn << Level_2_VA_OFFSET_BITS + (va & (1 << Level_2_VA_OFFSET_BITS - 1))

具体的转换过程，请参考官方手册。

其中，当 PTE 在 level_0_page_table 时，就是叶表项（leaf_pte），那么该 PTE 描述的 1GB的空间（30 Bits），即

#define XLEN (64) // 64 bits RISCV CPU
#define BITS_IN_BYTE (8) // 1 Byte = 8 bits
#define SATP_PPN_MASK (0x0fff'ffff'ffff)
#define PAGE_SIZE_BITS (12) // 4KB per page
#define PAGE_SIZE (1 << PAGE_SIZE_BITS)
#define PTE_SIZE (XLEN / BITS_IN_BYTE) // 8 Bytes per PTE
#define PTE_ENTRIES_PER_PAGE (PAGE_SIZE / PTE_SIZE) // 512 entries per page
#define Level_0_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9 + 9)
#define Level_1_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9)
#define Level_2_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS)PTE* level_0_page_table = (satp & SATP_PPN_MASK) << PAGE_SIZE_BITS
PTE* leaf_PTE = level_0_page_table[(va >> (Level_0_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
void * pa = leaf_PTE.ppn << Level_0_VA_OFFSET_BITS + (va & (1 << Level_0_VA_OFFSET_BITS - 1))

同理，当 PTE 在 level_1_page_table 时，就是叶表项（leaf_pte），那么该 PTE 描述的 2MB的空间（21 Bits），即

#define XLEN (64) // 64 bits RISCV CPU
#define BITS_IN_BYTE (8) // 1 Byte = 8 bits
#define SATP_PPN_MASK (0x0fff'ffff'ffff)
#define PAGE_SIZE_BITS (12) // 4KB per page
#define PAGE_SIZE (1 << PAGE_SIZE_BITS)
#define PTE_SIZE (XLEN / BITS_IN_BYTE) // 8 Bytes per PTE
#define PTE_ENTRIES_PER_PAGE (PAGE_SIZE / PTE_SIZE) // 512 entries per page
#define Level_0_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9 + 9)
#define Level_1_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS + 9)
#define Level_2_VA_OFFSET_BITS (PAGE_SIZE_BITS)PTE* level_0_page_table = (satp & SATP_PPN_MASK) << PAGE_SIZE_BITS
PTE* level_1_page_table = level_0_page_table[(va >> (Level_0_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
PTE* leaf_PTE = level_1_page_table[(va >> (Level_1_VA_OFFSET_BITS)) & (512 - 1)]
void * pa = leaf_PTE.ppn << Level_1_VA_OFFSET_BITS + (va & (1 << Level_1_VA_OFFSET_BITS - 1))

那么，基于 RISCV Sv39 的虚拟地址转换模式大致上如上所示。