内核的早期页表

最新推荐文章于 2024-12-23 13:38:15 发布

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本文探讨了x86平台内核启动过程中的早期页表设置，从cr3寄存器开始，详细解释了early_level4_pgt的结构和映射关系，以及如何启用虚拟地址进行地址转换。通过分析，揭示了内核代码空间页表的配置和工作原理。

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刚才的那张页表实在是太粗糙了，我想可能是有什么历史原因导致的吧。到了真正的内核，怎么也得换个漂亮点的页表。

这次的页表就在arch/x86/kernel/head_64.S里面咯～

从cr3开始

在x86平台上保存页表起始地址的就是这个cr3寄存器了，那就先看看这个寄存器变成了谁呗。

    movq    $(early_level4_pgt - __START_KERNEL_map), %rax

    /* Setup early boot stage 4 level pagetables. */
    addq    phys_base(%rip), %rax
    movq    %rax, %cr3

嗯，这个东西稍微有点绕。phys_base是一个偏移，我们暂且认为就是0吧。所以这次加载到cr3中的地址是early_level4_pgt - __START_KERNEL_map。这里稍微解释一下下，如果实在理解不了，暂时先跳过。

加载到cr3的是一个物理地址，而我们编译出的内核vmlinux是一个ELF文件且最终会在虚拟地址空间运行，所以所有的符号都保存的是虚拟地址。上面这两个动作就是得到early_level4_pgt这个符号在运行时的物理地址。

不管怎么样知道加载到cr3的地址是指向early_level4_pgt的就好～

early_level4_pgt的容貌

刚才最简单的页表也有三层了，内核中的页表也不例外。

early_level4_pgt:

NEXT_PAGE(early_level4_pgt)
    .fill   511,8,0
    .quad   level3_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE

level3_kernel_pgt

NEXT_PAGE(level3_kernel_pgt)
    .fill   L3_START_KERNEL,8,0
    /* (2^48-(2*1024*1024*1024)-((2^39)*511))/(2^30) = 510 */
    .quad   level2_kernel_pgt - __START_KERNEL_map + _KERNPG_TABLE
    .quad   level2_fixmap_pgt - __START_KERNEL_map + _PAGE_TABLE

level2_kernel_pgt

NEXT_PAGE(level2_kernel_pgt)
    /*
     * 512 MB kernel mapping. We spend a full page on this pagetable
     * anyway.
     *
     * The kernel code+data+bss must not be bigger than that.
     *
     * (NOTE: at +512MB starts the module area, see MODULES_VADDR.
     *  If you want to increase this then increase MODULES_VADDR
     *  too.)
     */
    PMDS(0, __PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC,
        KERNEL_IMAGE_SIZE/PMD_SIZE)

是不是又看得头晕了？嗯，不着急，再来看一张图～

这里写图片描述

所以这其实是一张编译时就写好的页表。这样看，是不是简单了些？

映射关系

细心的朋友可能发现了，这张页表和之前的页表最后一个层级差不多，就是少了点。最大的差别是第一层上我们使用了最后一级的表项，而第一章表中使用的是第一级。

对了，我想你猜到了。这就是虚拟地址和物理地址的映射了。

那我们来算一下这次映射关系究竟是什么样子的。

    (511) << 39 | (510) << 30
=   FFFF 8000 0000

再来看一下变量__START_KERNEL_map的定义

#define __START_KERNEL_map  _AC(0xffffffff80000000, UL)

x86上只使用了48bit虚拟地址空间，而不是64bit。所以这两个地址就是等价的。（或许还漏了点什么，以后理解了再来补吧～）

经过计算证实了这次映射的就是内核代码空间的页表。

启用虚拟地址

正如之前看到的，虽然使用了页表，但是页表中的物理地址和虚拟地址是一模一样的。经过了这次页表的改造，就有了真正的地址转换了。

代码很有意思

    /* Ensure I am executing from virtual addresses */
    movq    $1f, %rax
    jmp *%rax
1:

就是取到下一个lable的地址，然后跳过去～