内存映射过程之paging_init

内存映射过程之paging_init

导读

之前已经逐步整理完成了idmap、fixup、memblock等内容，在此阶段已经可以：

1. 访问kernel image的地址空间；
2. 访问FDT地址空间，即已经获取device tree相关数据；
3. 可以通过memblock提供的接口申请内存；
   则接下来需要做的处理，是要把从fdt中获取的mem layout关系建立实际的映射；
   所谓建立映射，实质很简单，即根据页表大小和地址空间大小，填充PUD PMD PTE等数据；

1. 页表转换关系

这部分之前已经整理过了，在这里制作简单说明：

1.1 涉及页表层级相关宏

宏（Config）	转换后	值	描述
CONFIG_ARM64_VA_BITS_39=y	NA	NA	决策逻辑地址的范围，以40~63位标记kernel or user，user + kernel共 1T
CONFIG_ARM64_VA_BITS=39	NA	39	同上
CONFIG_ARM64_4K_PAGES=y	NA	NA	决策页表的大小，当前被配置为4K
CONFIG_ARM64_PAGE_SHIFT=12	NA	12	同上
CONFIG_PGTABLE_LEVELS=3	NA	3	决策页表层级，即当前平台支持3级页表：PGD PMD PTE
PTRS_PER_PTE	1 << (PAGE_SHIFT - 3)	1<<9	PTE/PMD/PUD中表项的多少
PGDIR_SHIFT	ARM64_HW_PGTABLE_LEVEL_SHIFT(4 - CONFIG_PGTABLE_LEVELS)	30	PGD 的偏移位
PUD_SHIFT	ARM64_HW_PGTABLE_LEVEL_SHIFT(1)	NA	PUD的偏移位，level = 3 无PUD
PMD_SHIFT	ARM64_HW_PGTABLE_LEVEL_SHIFT(2)	21	PMD的偏移位
ARM64_HW_PGTABLE_LEVEL_SHIFT(n)	(PAGE_SHIFT - 3) * (4 - (n)) + 3	NA	根据level决策该层的shift

1.2 页表转换

一次地址的翻译过程基本如上图所示，相关的level、page size、VA size等根据平台不同，上述Config和宏都已经配置完成，即上述转换过程是固定的

则我们本部分要介绍的paging_init实质上就是在构造上述转换关系：

1. 确认PGD的访问入口（实质为swapper的地址）
2. 根据PGD和 offset 计算到PMD的页表地址，并建立映射：
   1. 申请物理页表；
   2. 与上述计算出来的地址建立映射；
3. 使用同样方法得到PTE的页表地址并建立映射关系；
4. 使用同样方法得到PAGE的页表地址并建立映射关系；

则上述过程中：

1. 页表入口地址PGD，在此时已经可以访问到了；
2. 核心功能为建立映射关系，即可以通过该线性地址读取到实际的物理地址；

1.3 页表构建过程

上述部分的核心目录：

目录	描述
./arch/arm64/mm/mmu.c	MMU地址转换相关函数的实现
./kernel-4.9/arch/arm64/include/asm/pgtable.h	页表实现相关接口
./kernel-4.9/arch/arm64/include/asm/pgtable-hwdef.h	页表各个level中shift、size等实现

2. 功能描述

直接上图：

3. code 阅读

3.1 Paging_init

paging_init这个函数并不长，注释已经说明的比较清晰了：

1. set up page table;
2. 初始化zone memory映射；
3. 建立第一个页面；

/*
 * paging_init() sets up the page tables, initialises the zone memory
 * maps and sets up the zero page.
 */
void __init paging_init(void)
{
   
	phys_addr_t pgd_phys = early_pgtable_alloc(); //分配一个phy 页面
	pgd_t *pgd = pgd_set_fixmap(pgd_phys); //将其放在fixmap中，建立映射关系，方便访问

	map_kernel(pgd); //映射内核中各个段的关系，即我们之前看的vmlinux.lds.S中的内容；
	map_mem(pgd); //这里是映射之前memblock中add的部分

//这里复用swapper_pg_dir的空间，将当前新建的页表放进去，转换为VA哦；
	cpu_replace_ttbr1(__va(pgd_phys));
	memcpy(swapper_pg_dir, pgd, PAGE_SIZE);
	cpu_replace_ttbr1(swapper_pg_dir);

	pgd_clear_fixmap();//上述已经映射完成，由于PGD复用了swapper的空间的PGD，事实上整个系统就只用一个PGD，在这里释放掉pgd
	memblock_free(pgd_phys, PAGE_SIZE);
//释放掉swapper_pg_dir中的pud pmd，这里之前是在kernel 汇编汇中填充的，目的是为了访问kernel空间，
	memblock_free(__pa(swapper_pg_dir) + PAGE_SIZE, SWAPPER_DIR_SIZE - PAGE_SIZE);
}

逐步分析就是做了这几件事情：

1. 获取pgd_phys地址，即页表地址
2. 在fixmap中建立映射关系，方便访问
3. 映射kernel中各个段
4. 映射memblock中添加的部分
5. 复用swapper_pg_dir的地址，将pgd添加过去
6. 释放掉没有使用的资源

3.2 申请物理页面

early_pgtable_alloc 申请一个page：

static phys_addr_t __init early_pgtable_alloc(void)
{
   
	phys_addr_t phys;
	void *ptr;

	phys = memblock_alloc(PAGE_SIZE, PAGE_SIZE); // 通过memblock 申请一个page大小的地址，注意这里是物理地址

	ptr = pte_set_fixmap(phys);//这里就是将申请的物理页面放到fixmap地址中的pte部分，这里还没用过，则现在可以通过fixmap中PTE的虚拟地址访问当前申请的这块物理地址；