基于C#实现处理器模拟器：分页与指令内存读取逻辑疑问

问题1：创建指令并添加到内存时，用物理地址还是虚拟地址？ #

内存是物理层面的存储单元，只能通过物理地址访问。虚拟地址是处理器提供的抽象层，本身并不直接对应内存中的物理位置。你在模拟内存中写入指令时，必须使用物理地址；虚拟地址与物理地址的对应关系，是通过分页表来维护的，而非直接将指令存储在虚拟地址上。

问题2：遍历分页表能得到什么？虚拟地址转物理地址是否需要预先建立映射？ #

以4级分页为例，遍历各级分页表的核心目的是找到虚拟地址对应的物理页框基地址，具体流程如下：

1. 从处理器的控制寄存器（如x86-64的CR3）中读取L4分页表的物理基地址。
2. 用虚拟地址中拆分出的L4索引，定位到L4页表中的对应条目，该条目存储的是L3分页表的物理基地址。
3. 重复上述步骤：用L3索引找到L2页表的物理基地址，用L2索引找到L1页表的物理基地址。
4. 用L1索引定位到L1页表的条目，该条目存储的是物理页框的基地址。

虚拟地址转物理地址必须预先建立映射——你需要在模拟器初始化时，手动填充各级分页表的条目，将虚拟地址的各层级索引与对应的物理页表/页框地址关联起来，否则处理器无法完成地址转换。

问题3：程序计数器（PC）存储物理地址还是虚拟地址？ #

现代处理器的程序计数器存储的是虚拟地址。处理器工作在虚拟地址空间中，每次取指令前，会先将PC中的虚拟地址转换为物理地址，再去物理内存中读取指令。因此你的模拟器中，PC应当存储虚拟地址，执行指令前必须先完成地址转换，得到物理地址后再访问内存。

问题4：以0x0001234FFFFADE09为例说明分页转换过程 #

首先拆分这个64位虚拟地址：

• 偏移量：最后12位，对应0xE09（12位刚好覆盖十六进制的3位）。
• 剩余高位拆分为4个9位的索引（对应4级分页）：从偏移量往上数，依次是L4索引、L3索引、L2索引、L1索引，剩余高位为保留位（不参与地址转换）。

假设我们已经建立了完整的分页映射，具体转换流程如下：

1. 从模拟的CR3寄存器中取出L4页表的物理基地址，比如0x10000。
2. 计算L4页表条目的物理地址：0x10000 + (L4索引 * 8)（每个分页表条目为8字节，64位），读取该条目得到L3页表的物理基地址，比如0x20000。
3. 计算L3页表条目的地址：0x20000 + (L3索引 * 8)，读取得到L2页表基地址0x30000。
4. 计算L2页表条目的地址：0x30000 + (L2索引 * 8)，读取得到L1页表基地址0x40000。
5. 计算L1页表条目的地址：0x40000 + (L1索引 * 8)，读取得到物理页框的基地址0x50000000。
6. 最终物理地址 = 物理页框基地址 + 偏移量 → 0x50000000 + 0xE09 = 0x50000E09。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者PC Safe