linux 内存恒等映射

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arm64内存管理

恒等映射

页表定义，采用4级分页模型

创建页表

内存属性

从进程角度看，需要内存的地方

1、进程本身，代码段、数据段用来存储程序本身需要的数据

2、栈空间：用来保存函数调用关系、局部变量、函数参数、函数返回值等

3、堆空间：动态分配的内存

arm64内存管理

MMU包括TLB和页表遍历单元。

TLB是一个高速缓存，用于缓存页表转换的结果，从而缩短页表查询的时间。

在得到物理地址后，首先要查询该物理地址的内容是否在高速缓存中。

恒等映射

        物理地址=虚拟地址

从bootloader跳转到操作系统入口时，MMU是关闭的,意味着不能使用高速缓存。

在关闭MMU的情况下，处理器访问的地址都是物理地址，当打开MMU时，访问的是虚拟地址。

恒等映射的目的：保证处理器在开启MMU前后可以连续取指令，因为处理器大多是流水线体系结构。

恒等映射的创建

低512M内存映射到虚拟地址0~512M地址空间；采用4KB大小的页面和48位地址宽度来创建恒等映射。

页表定义，采用4级分页模型

• 页全局目录（Page Global Directory,PGD）
• 页上级目录（Page Upper Directory,PUD）
• 页中间目录  (Page Middle Directory,PMD）
• 页表 (Page Table,PT)

• PGD的偏移量 39

页表的大小和页表项数量

#define PGDIR_SHIFT 39
#define PGDIR_SIZE (1UL << PGDIR_SHIFT)
#define PGDIR_MASK (~(PGDIR_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PGD (1 << (VA_BITS - PGDIR_SHIFT))

• PGDIR_SHIFT 表示PGD页表在虚拟地址中的起始偏移量
• PGDIR_SIZE 表示一个PGD页表项所能映射的区域大小
• PGDIR_MASK 用来屏蔽虚拟地址中PUD索引，PMD索引以及PT索引字段的位
• PTS_PER_PGD 表示PGD页表中页表项的个数。其中VA_BITS表示虚拟地址位宽（48位）

其他宏定义类似的含义。 

/* PUD */
#define PUD_SHIFT 30
#define PUD_SIZE (1UL << PUD_SHIFT)
#define PUD_MASK (~(PUD_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PUD (1 << (PGDIR_SHIFT - PUD_SHIFT))/* PMD */
#define PMD_SHIFT 21
#define PMD_SIZE (1UL << PMD_SHIFT)
#define PMD_MASK (~(PMD_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PMD (1 << (PUD_SHIFT - PMD_SHIFT))/* PTE */
#define PTE_SHIFT 12
#define PTE_SIZE (1UL << PTE_SHIFT)
#define PTE_MASK (~(PTE_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PTE (1 << (PMD_SHIFT - PTE_SHIFT))

 PTE属性

#define PTE_TYPE_MASK  (3UL << 0)
#define PTE_TYPE_FAULT (0UL << 0)
#define PTE_TYPE_PAGE  (3UL << 0)
#define PTE_TABLE_BIT  (1UL << 1)
#define PTE_USER       (1UL << 6) /* AP[1] */
#define PTE_RDONLY     (1UL << 7) /* AP[2] */
#define PTE_SHARED     (3UL << 8) /* SH[1:0], inner shareable */
#define PTE_AF         (1UL << 10)      /* Access Flag */
#define PTE_NG         (1UL << 11)      /* nG */
#define PTE_DBM        (1UL << 51)      /* Dirty Bit Management */
#define PTE_CONT       (1UL << 52)      /* Contiguous range */
#define PTE_PXN        (1UL << 53)      /* Privileged XN */
#define PTE_UXN        (1UL << 54)      /* User XN */
#define PTE_HYP_XN  (1UL << 54) /* HYP XN */

根据内存的属性，页表项的属性

不同类型的页面采用哪种属性？

• 操作系统的代码段和数据段都应该采用普通内存

页表数据结构

typedef struct
{unsigned long long pte;
}pte_t;#define pte_val(x) ((x).pte)
#define __pmd(x) (pte_t) ((x))

创建页表

页表创建是软件完成，页表的遍历是MMU自动完成，在打开MMU之前，软件需要手动创建4级页表。

在链接脚本中的数据段中，预留4KB大小的内存空间给PGD页表

SECTIONS
{ _data = .;.data : { *(.data) }. = ALIGN(4096);idmap_pg_dir = .;. += 4096;_edata = .;
}

内存属性

• 代码段，代码段有只读、可执行属性，因此他们必须映射到PAGE_KERNEL_ROX属性
• 数据段以及剩下内存。普通属性，映射到PAGE_KERNEL
• 寄存器空间地址，寄存器地址空间属于设备类型内存，映射到PORT_DEVICE_nGnRnE属性。

static void create_identical_mapping(void)
{unsigned long start;unsigned long end;/*map text*/start = (unsigned long)_text_boot;end = (unsigned long)_etext;__create_pgd_mapping((pgd_t *)idmap_pg_dir, start, start,end - start, PAGE_KERNEL_ROX,early_pgtable_alloc,0);/*map memory*/start = PAGE_ALIGN((unsigned long)_etext);end = TOTAL_MEMORY;__create_pgd_mapping((pgd_t *)idmap_pg_dir, start, start,end - start, PAGE_KERNEL,early_pgtable_alloc,0);
}static void create_mmio_mapping(void)
{__create_pgd_mapping((pgd_t *)idmap_pg_dir, PBASE, PBASE,DEVICE_SIZE, PROT_DEVICE_nGnRnE,early_pgtable_alloc,0);
}

//PGD 创建页表的基地址
/*
port 内存属性
*/static void __create_pgd_mapping(pgd_t *pgdir, unsigned long phys,unsigned long virt, unsigned long size,unsigned long prot,unsigned long (*alloc_pgtable)(void),unsigned long flags)
{pgd_t *pgdp = pgd_offset_raw(pgdir, virt);unsigned long addr, end, next;phys &= PAGE_MASK;addr = virt & PAGE_MASK;end = PAGE_ALIGN(virt + size);do {next = pgd_addr_end(addr, end);alloc_init_pud(pgdp, addr, next, phys,prot, alloc_pgtable, flags);phys += next - addr;} while (pgdp++, addr = next, addr != end);}

以PGDIR_SIZE为步长遍历内存区域[virt,virt+size]；

调用alloc_init_pud初始化PGD页表项内容和PUD

pgd_addr_end以PGDIR_SIZE为步长

static void alloc_init_pud(pgd_t *pgdp, unsigned long addr,unsigned long end, unsigned long phys,unsigned long prot,unsigned long (*alloc_pgtable)(void),unsigned long flags)
{pgd_t pgd = *pgdp;pud_t *pudp;unsigned long next;if (pgd_none(pgd)) {unsigned long pud_phys;pud_phys = alloc_pgtable();set_pgd(pgdp, __pgd(pud_phys | PUD_TYPE_TABLE));pgd = *pgdp;}pudp = pud_offset_phys(pgdp, addr);do {next = pud_addr_end(addr, end);alloc_init_pmd(pudp, addr, next, phys,prot, alloc_pgtable, flags);phys += next - addr;} while (pudp++, addr = next, addr != end);
}

• 如果pgd页表项的内容为空，说明下一级页表还没创建，需要动态分配下一级页表。
• 使用alloc_pgtable函数分配一个4KB页面用于PUD页表，
• PUD页表基地址pud_phys与相关属性PUD_TYPE_TABLE组成一个PGD页表项，然后通过set_pgd函数设置到相应的PGD页表项中。

pud_offset_phys()函数通过addr和PGD页表项来找到对应的PUD页表项。

alloc_init_pmd 创建下一级页表。

页表建立过程如下

__create_pgd_mapping->alloc_init_pud->alloc_init_pmd->alloc_init_pte

static unsigned long early_pgtable_alloc(void)
{unsigned long phys;phys = get_free_page();memset((void *)phys, 0, PAGE_SIZE);return phys;
}

unsigned long get_free_page(void)
{int i;for (i = 0; i < NR_PAGES; i++) {if (mem_map[i] == 0) {mem_map[i] = 1;return LOW_MEMORY + i * PAGE_SIZE;}}return 0;
}