分享一个用SystemC编写的页表管理程序

       摘要：分享一个用SystemC编写的页表管理的程序，这个程序将模拟页表（PDE和PTE）的创建、虚拟地址（VA）到物理地址（PA）的转换，以及对内存的读写操作。

为了简化实现，我们做出以下假设：

1. 页表是两级结构：PDE (Page Directory Entry) 和 PTE (Page Table Entry)。可扩展为三级、四级。
2. 虚拟地址（VA）分为三级：PDE索引、PTE索引和页内偏移。
3. 每个页大小为4KB（12位偏移）。
4. 内存类型（mem_type）和虚拟帧ID（vfid）用于区分不同的内存区域或上下文。
5. 物理内存（cmem）用一个数组模拟。
6. 使用简单的哈希映射来管理虚拟地址分配。

以下是完整的SystemC代码实现：

一、基本数据结构定义

#include <systemc.h>
#include <map>
#include <vector>
#include <list>
#include <iostream>
#include <cmath>

// 可配置页大小 (单位：字节)
enum PageSize {
    PAGE_4K = 4096,      // 4KB
    PAGE_16K = 16384,    // 16KB
    PAGE_64K = 65536,    // 64KB
    PAGE_2M = 2097152,   // 2MB
    PAGE_1G = 1073741824 // 1GB
};

// 页表级别
enum PageTableLevel {
    LEVEL_2 = 2, // 2级页表
    LEVEL_3 = 3, // 3级页表
    LEVEL_4 = 4  // 4级页表
};

// 模拟物理内存 (cmem)
#define CMEM_SIZE (1ULL << 30) // 1GB 物理内存
static uint8_t cmem[CMEM_SIZE];

// 虚拟地址区域，用于地址分配
struct VAArea {
    uint64_t start_va;
    uint64_t size;
    bool allocated;
    VAArea(uint64_t start, uint64_t sz) : start_va(start), size(sz), allocated(false) {}
};

// 页表条目结构，增加大页支持
struct PageTableEntry {
    bool valid;
    bool is_huge;          // 是否为大页映射
    uint64_t physical_base; // 物理基地址
    PageTableEntry* next_level; // 指向下一级页表的指针
    uint64_t page_size;    // 当前条目对应的页大小
    PageTableEntry() : valid(false), is_huge(false), physical_base(0), next_level(nullptr), page_size(0) {}
};

 二、页表管理模块的实现

// 页表管理模块
class PageTableManager : public sc_module {
public:
    SC_HAS_PROCESS(PageTableManager);
    PageTableManager(sc_module_name name, PageSize base_page_size, PageTableLevel level)
        : sc_module(name), base_page_size_(base_page_size), level_(level), next_physical_base_(0) {
        SC_METHOD(run);
        dont_initialize();
        initializePageTableConfig();
    }

private:
    PageSize base_page_size_;   // 基础页大小（最小页大小）
    PageTableLevel level_;      // 页表级别
    uint64_t next_physical_base_; // 下一个可用的物理基地址
    uint32_t bits_per_level_;   // 每级页表的位数
    uint64_t base_page_mask_;   // 基础页大小掩码
    std::vector<uint32_t> level_bits_; // 每级页表的位数分配
    std::vector<uint64_t> level_page_sizes_; // 每级页表支持的页大小（用于大页）

    // 页表存储：pid -> 页表层次结构
    std::map<uint32_t, std::vector<PageTableEntry*>> page_tables_;

    // 虚拟地址区域管理
    std::map<uint32_t, std::list<VAArea>> va_areas_;

    void run() {
        // 初始化代码，如果需要可以在此添加
    }

    // 初始化页表配置（根据页大小和级别分配位数，并配置大页大小）
    void initializePageTableConfig() {
        base_page_mask_ = base_page_size_ - 1;
        uint32_t total_va_bits = 48; // 假设虚拟地址为48位
        uint32_t offset_bits = log2(base_page_size_);
        uint32_t remaining_bits = total_va_bits - offset_bits;
        bits_per_level_ = remaining_bits / level_;
        level_bits_.resize(level_);
        for (int i = 0; i < level_; ++i) {
            level_bits_[i] = bits_per_level_;
        }
        level_bits_[level_ - 1] += r