2020年06月04日 | ARMv8(aarch64)页表建立过程详细分析

1 ARMv8存储管理

1.1 Aarch64 Linux中的内存布局

ARMv8架构可以支持48位虚拟地址，并配置成4级页表（4K页），或者3级页表（64K页）。而本Linux系统只使用39位虚拟地址（512G内核，512G用户），配置成3级页表（4K页）或者2级页表（64K页）

用户空间的地址63:39位都置零，内核空间地址63:39都置一，虚拟地址的第63位可以用来选择TTBRx。swapper_pg_dir只包含内核全局映射，用户的pgd包含用户（非全局）映射。swapper_pg_dir地址在TTBR1中，不会写入TTBR0中。

AArch64Linux内存布局：

Start                                 End                             Size                     Use

--------------------------------------------------------------------------------------------------

0000000000000000         0000007fffffffff      512GB          user

ffffff8000000000             ffffffbbfffcffff           ~240GB       vmalloc

ffffffbbfffd0000               ffffffbcfffdffff         64KB            [guardpage]

ffffffbbfffe0000               ffffffbcfffeffff         64KB            PCII/O space

ffffffbbffff0000               ffffffbcffffffff          64KB            [guard page]

ffffffbc00000000             ffffffbdffffffff       8GB               vmemmap

ffffffbe00000000             ffffffbffbffffff         ~8GB           [guard,future vmmemap]

ffffffbffc000000                     ffffffbfffffffff            64MB           modules

ffffffc000000000             ffffffffffffffff                  256GB          memory

1.2 AArch64的虚拟地址格式

1.2.1 4K页时的虚拟地址

1.2.2 64K页时的虚拟地址

2 head.S页表建立过程分析

2.1 页表建立函数__create_page_tables

该函数用于在内核启动时，为FDT（设备树）、内核镜像创建启动所必须的页表。等内核正常运行后，还需运行create_mapping为所有的物理内存创建页表，这将覆盖__create_page_tables所创建的页表。

内核开始运行时创建页表源文件：arm64/kernel/head.Sline345

/*

 * Setup the initial page tables. We only setup the barest amount which is

 * required to get the kernel running. The following sections are required:

 *   -identity mapping to enable the MMU (low address, TTBR0)

 *   -first few MB of the kernel linear mapping to jump to once the MMU has

 *    been enabled, including the FDT blob (TTBR1)

 */

__create_page_tables:

          pgtbl     x25, x26,x24                         //idmap_pg_dir and swapper_pg_dir addresses

          /*

           * 清空新建的两个页表TTBR0，TTBR1

           */

          mov       x0,x25

          add       x6,x26, #SWAPPER_DIR_SIZE

1:        stp       xzr,xzr, [x0], #16

          stp       xzr,xzr, [x0], #16

          stp       xzr,xzr, [x0], #16

          stp       xzr,xzr, [x0], #16

          cmp       x0,x6

          b.lo      1b

          ldr       x7,=MM_MMUFLAGS

          /*

           * Create the identity mapping.

           */

          add       x0, x25,#PAGE_SIZE                   // sectiontable address

          adr       x3, __turn_mmu_on            // virtual/physical address

          create_pgd_entry x25, x0, x3, x5, x6  //展开见1.1.3

          create_block_map x0, x7, x3, x5, x5, idmap=1

          /*

           * Map the kernel image (starting withPHYS_OFFSET).

           */

          add       x0,x26, #PAGE_SIZE                   //section table address

          mov       x5,#PAGE_OFFSET

          create_pgd_entry x26, x0, x5, x3, x6

          ldr       x6,=KERNEL_END - 1

          mov       x3,x24                               // physoffset

          create_block_map x0, x7, x3, x5, x6

          /*

           * Map the FDT blob (maximum 2MB; must bewithin 512MB of

           * PHYS_OFFSET).

           */

          mov       x3,x21                               // FDTphys address

          and       x3,x3, #~((1 << 21) - 1)    // 2MBaligned

          mov       x6,#PAGE_OFFSET

          sub       x5,x3, x24                           //subtract PHYS_OFFSET

          tst       x5,#~((1 << 29) - 1)                 //within 512MB?

          csel      x21,xzr, x21, ne            // zero the FDTpointer

          b.ne      1f

          add       x5,x5, x6                            // __va(FDTblob)

          add       x6,x5, #1 << 21             // 2MB forthe FDT blob

          sub       x6,x6, #1                            //inclusive range

          create_block_map x0, x7, x3, x5, x6

1:

          ret

ENDPROC(__create_page_tables)

2.1.1  pgtbl   x25, x26, x24分析

pgtbl是个宏，定义如下：

arm64/kernel/head.S line55

          .macro    pgtbl,ttb0, ttb1, phys

          add       ttb1,phys, #TEXT_OFFSET - SWAPPER_DIR_SIZE

          sub       ttb0,ttb1, #IDMAP_DIR_SIZE

          .endm

pgtbl               x25,x26, x24  //展开后如下

add                x26,x24, #TEXT_OFFSET -SWAPPER_DIR_SIZE

sub                x25,x26，#IDMAP_DIR_SIZE

其中各变量定义如下：

#defineSWAPPER_DIR_SIZE     (3 * PAGE_SIZE)

#defineIDMAP_DIR_SIZE                (2 *PAGE_SIZE)

说明：

1、关于TTBR0、TTBR1的介绍见ARM ARM 手册的Page B4-1708

2、x25中存TTBR0（TTBR0 holds the base address of translation table 0）的地址；

3、X26存TTBR1（TTBR1 holds the base address of translation table 1）地址；

4、X24 存PHYS_OFFSET，/* PHYS_OFFSET- the physical address of the start of memory. */

    #definePHYS_OFFSET      ({ memstart_addr; })

5、TEXT_OFFSET是Bootloader启动时传进来的参数，是内核Image加载时相对于RAM起始地址的偏移量

6、PAGE_OFFSEST：the virtual address of the start of the kernel image.

图1  pgtbl宏分析

2.1.2 MM_MMUFLAGS解释

在文件arm64/kernel/head.S line71：

/*

 * Initial memory map attributes.

 */

#ifndefCONFIG_SMP

#definePTE_FLAGS      PTE_TYPE_PAGE | PTE_AF

#definePMD_FLAGS     PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AF

#else

#definePTE_FLAGS      PTE_TYPE_PAGE | PTE_AF |PTE_SHARED

#definePMD_FLAGS     PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AF| PMD_SECT_S

#endif

#ifdefCONFIG_ARM64_64K_PAGES

#defineMM_MMUFLAGS   PTE_ATTRINDX(MT_NORMAL) |PTE_FLAGS

#defineIO_MMUFLAGS      PTE_ATTRINDX(MT_DEVICE_nGnRE)| PTE_XN | PTE_FLAGS

#else

#defineMM_MMUFLAGS   PMD_ATTRINDX(MT_NORMAL) |PMD_FLAGS

#defineIO_MMUFLAGS      PMD_ATTRINDX(MT_DEVICE_nGnRE)| PMD_SECT_XN | PMD_FLAGS

#endif

根据以上宏定义能明确，MM_MMUFLAGS就是根据你编译内核时选定的页大小（64K or 4K），设置MMU。

2.1.3 create_pgd_entry/create_block_map宏解释

1、create_pgd_entry

/*

 * Macro to populate the PGD for thecorresponding block entry in the next

 * level (tbl) for the given virtual address.

 *

 * Preserves:     pgd,tbl, virt

 * Corrupts:       tmp1,tmp2

 */

      .macro   create_pgd_entry,pgd, tbl, virt, tmp1, tmp2

      lsr   tmp1,virt, #PGDIR_SHIFT