鸿蒙轻内核A核源码分析系列五 虚实映射（1）基础概念

虚实映射是指系统通过内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）将进程空间的虚拟地址(VA)与实际的物理地址(PA)做映射，并指定相应的访问权限、缓存属性等。程序执行时，CPU访问的是虚拟内存，通过MMU找到映射的物理内存，并做相应的代码执行或数据读写操作。MMU的映射由页表（Page Table）来描述，页表保存虚拟地址和物理地址的映射关系以及访问权限等。每个进程在创建的时候都会创建一个页表，页表由一个个页表条目（Page Table Entry， PTE）构成，每个页表条目描述虚拟地址区间与物理地址区间的映射关系。页表数据在内存区域存储位置的开始地址叫做转换表基地址/页表基地址（Translation Table Base，TTB）。MMU中有一块页表缓存，称为快表（Translation Lookaside Buffers, TLB），它缓存最近查找过的VA对应的页表项。做地址转换时，MMU首先在TLB中查找，如果找到对应的页表项，则可直接进行转换，否则就要去物理内存中读取页表项。TLB缓存可以减少访问物理内存的次数，提升查询效率。

本文中所涉及的源码，以OpenHarmony LiteOS-A内核为例，均可以在开源站点 https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_a  获取。如果涉及开发板，则默认以hispark_taurus为例。MMU相关的操作函数主要在文件arch/arm/arm/src/los_arch_mmu.c中定义。

虚实映射其实就是一个建立页表的过程。MMU支持多级页表，LiteOS-A内核采用二级页表描述进程空间。首先介绍下一级页表和二级页表。

1、一级页表L1和二级页表L2

1.1 页表项基础概念

L1页表将全部的4GiB虚拟内存地址空间划分为4096份，每份大小1MiB。每份对应一个32位的页表项，内容是L2页表基地址TTB或某个1MiB大小的物理内存的地址。其中高12位记录页号，用于对页表项定位，也就是4096个页表项的索引；低20位记录页内偏移值，虚实地址页内偏移值相等。使用虚拟地址中的虚拟页号查询页表得到对应的物理页号，然后与虚拟地址中的页内位移组成物理地址。每个L1页表项将1MiB的虚拟内存地址转换为物理地址。如下图所示：

对于用户进程，每个一级页表条目描述符占用4个字节（即32位的L1页表项），可表示1MiB的内存空间的映射关系，即1GiB用户空间（LiteOS-A内核中用户空间占用1GiB）的虚拟内存空间需要1024个L1页表项。系统创建用户进程时，在内存中申请一块4KiB大小（=4byte*1024）的内存块作为一级页表项的存储区域，系统根据当前进程的需要会动态申请内存作为二级页表的存储区域。现在我们就知道，在虚拟内存章节，用户进程虚拟地址空间初始化函数OsCreateUserVmSpace()申请了4KiB的内存作为页表存储区域的依据了:VADDR_T *ttb = LOS_PhysPagesAllocContiguous(1);，这段内存的开始地址就是TTB页表基地址。每个用户进程需要申请自己的页表项存储区域，对于内核进程，页表项存储区域是固定的，即UINT8 g_firstPageTable[0x4000]，大小为16KiB。

L1页表项的低2位用于定义页表项的类型，页表项类型有如下3种：

• Invalid 无效页表项，虚拟地址没有映射到物理地址，访问会产生缺页异常；

• Page Table 指向L2页表的页表项；

• Section Section 页表项对应1MiB大小的内存块，直接使用页表项的最高12位替代虚拟地址的高12位即可得到物理地址。

L2页表把1MiB的地址范围按4KiB的内存页大小继续分成256个小页。内存的高20位记录页号，用于对页表项定位；低12位记录页内偏移值，虚实地址页内偏移值相等。使用虚拟地址中的虚拟页号查询页表得到对应的物理页号，然后与虚拟地址中的页内位移组成物理地址。每个L2页表项将4KiB的虚拟内存地址转换为物理地址。如下图所示：

L2页表项的低2位用于识别页表项的类型，类型有如下4种：