🧩 RISC-V 虚拟内存（Virtual Memory）详解 ​

一、为什么需要虚拟内存？ ​

问题 虚拟内存的作用
程序访问的地址从 0 开始，但物理内存不一样大 将每个进程的虚拟地址映射到不同物理地址
程序之间相互隔离 不同进程拥有独立地址空间
操作系统管理更方便 可轻松调度与保护进程
可支持分页机制 按页分配、换页、缓存更高效

💡 简单说： 虚拟内存让程序“以为”自己独占整个内存。

二、RISC-V 的分页模式（Sv32 / Sv39 / Sv48） ​

RISC-V 定义了多种分页模式，用于不同 XLEN（位宽）：

模式 XLEN 地址位数 页大小 层数 用途
Sv32 32 位 32 位虚拟地址 4 KiB 2 层页表 RV32 平台
Sv39 64 位 39 位虚拟地址 4 KiB 3 层页表 RV64 常用（Linux）
Sv48 64 位 48 位虚拟地址 4 KiB 4 层页表 高端服务器
Bare 任意 无分页 — — 裸机/嵌入式系统

💡 Linux 在 RV64 平台上默认使用 Sv39。

三、虚拟地址到物理地址的映射 ​

RISC-V 虚拟内存通过 多级页表（Multi-level Page Table） 实现。 每一级页表都是一个 4KB 的数组，包含 512 个条目（8 字节 / PTE）。

🧮 以 Sv39 为例（RV64） ​

位段 名称 说明
[63:39] Sign Extension 必须与 bit 38 相同（符号扩展）
[38:30] VPN[2] 页表第 1 级索引（L2）
[29:21] VPN[1] 页表第 2 级索引（L1）
[20:12] VPN[0] 页表第 3 级索引（L0）
[11:0] Offset 页内偏移（4KB 页）

VPN = Virtual Page Number 每级索引 9 位 → 512 个条目。

四、页表项（PTE：Page Table Entry）结构 ​

每个页表项（8 字节）描述虚拟页到物理页的映射。

位 名称 说明
63–54 PBMT 页属性（如缓存策略）
53–10 PPN 物理页号（Physical Page Number）
9 RSW OS 自定义位
8 D Dirty（是否写过）
7 A Accessed（是否访问过）
6 G Global（跨地址空间共享）
5 U User（U 模式可访问）
4 X eXecutable（可执行）
3 W Writable（可写）
2 R Readable（可读）
1 V Valid（条目有效）
0 — 保留

一个 PTE 中只要 R/W/X 中有一位为 1，就表示这是一个叶子节点（Leaf Entry）， 否则它是中间页表（指向下一级页表）。

五、地址转换过程（以 Sv39 为例） ​

假设要访问虚拟地址 VA：

  1. 从 satp 寄存器 取出页表根地址；

  2. 使用 VPN[2] 作为第一级索引 → 得到二级页表地址；

  3. 使用 VPN[1] 索引二级页表；

  4. 使用 VPN[0] 索引三级页表；

  5. 找到叶子项（R/W/X 有效）；

  6. 从 PPN 拼接物理地址：

    物理地址 = PPN * 4KB + Offset

如果某级页表项无效（V=0），则触发 Page Fault 异常。

六、关键控制寄存器 ​

1️⃣ satp — Supervisor Address Translation and Protection ​

字段 位宽 说明
MODE 4 位 分页模式（0=Bare, 8=Sv39, 9=Sv48）
ASID 16 位 地址空间 ID（区分进程）
PPN XLEN-24 位 根页表物理页号（页表起始地址）

例如（Sv39 模式下）：

satp = (MODE << 60) | (ASID << 44) | PPN

设置页表： 1️⃣ 在内存中建立页表结构 2️⃣ 把页表根物理地址写入 satp 3️⃣ 执行 sfence.vma 刷新 TLB

2️⃣ sfence.vma — 刷新 TLB 缓存 ​

当修改页表后需执行：

asm 
sfence.vma

确保新的映射生效。

七、示例：64 位地址映射（Sv39） ​

假设有：

计算：

VPN[2] = bits [38:30]
VPN[1] = bits [29:21]
VPN[0] = bits [20:12]
Offset = bits [11:0]

CPU 根据 VPN 分三次读取页表，最后合成物理地址。

八、RISC-V 的分页层数对比 ​

模式 地址宽度 层数 每级索引位 可寻址空间 常见系统
Sv32 32 位 2 层 10 位 4 GiB RV32
Sv39 64 位 3 层 9 位 512 GiB Linux RV64
Sv48 64 位 4 层 9 位 256 TiB 服务器

九、页表映射类型（段页） ​

页面大小 说明 实现
4 KiB 普通页 三级页表最后一级
2 MiB 大页 二级页表直接叶子项
1 GiB 超大页 一级页表直接叶子项

🔟 十、Bare 模式（无分页） ​

嵌入式系统可禁用虚拟内存：

asm 
csrw satp, zero   # MODE = 0 (Bare)

此时虚拟地址 == 物理地址 即为“裸机运行模式（Bare Metal）”。

✅ 十一、小结 ​

项目 内容
分页机制 将虚拟地址 → 物理地址的映射
页大小 通常 4KB
控制寄存器 satp、mstatus、stvec
刷新指令 sfence.vma
常用模式 Sv32（RV32） / Sv39（RV64）
操作系统 Linux、RT-Thread、FreeBSD 等

🔑 一句话总结： RISC-V 的虚拟内存通过多级页表（Sv32 / Sv39 / Sv48）实现， 控制寄存器 satp 决定页表根地址和模式， CPU 按层解析虚拟地址 → 得到物理地址 → 执行访问。