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。
