【原创】ARMv8 MMU及Linux页表映射

背景

• read the fucking source code! --by 鲁迅
• a picture is worth a thousand words. --by 高尔基

说明：

1. kernel版本：4.14
2. arm64处理器，contex-a53，双核
3. 使用工具：source insight 3.5， visio

1. 介绍

要想理解好linux的页表映射，mmu的机制是需要去熟悉的，因此将这两个模块放到一起介绍。
关于armv8 mmu的相关内容，主要参考文档：《arm cortex-a series programmer’s guide for armv8-a》。

2. armv8 mmu

2.1 mmu/tlb/cache概述

1. mmu：完成的工作就是虚拟地址到物理地址的转换，可以让系统中的多个程序跑在自己独立的虚拟地址空间中，相互不会影响。程序可以对底层的物理内存一无所知，物理地址可以是不连续的，但是不妨碍映射连续的虚拟地址空间。
2. tlb：mmu工作的过程就是查询页表的过程，页表放置在内存中时查询开销太大，因此专门有一小片访问更快的区域用于存放地址转换条目，用于提高查找效率。当页表内容有变化的时候，需要清除tlb，以防止地址映射出错。
3. cache：处理器和存储器之间的缓存机制，用于提高访问速率，在armv8上会存在多级cache，其中l1 cache分为指令cache和数据cache，在cpu core的内部，支持虚拟地址寻址；l2 cache容量更大，同时存储指令和数据，为多个cpu core共用，这多个cpu core也就组成了一个cluster。

下图浅黄色部分描述的就是一个地址转换的过程。

由于上图没有体现出l1和l2 cache和mmu的关系，所以再来一张图吧：

那具体是怎么访问的呢？再来一张图：

2.2 虚拟地址到物理地址的转换

虚拟地址到物理地址的映射通过查表的机制来实现，armv8中，kernel space的页表基地址存放在ttbr1_el1寄存器中，user space页表基地址存放在ttbr0_el0寄存器中，其中内核地址空间的高位为全1，(0xffff0000_00000000 ~ 0xffffffff_ffffffff)，用户地址空间的高位为全0，(0x00000000_00000000 ~ 0x0000ffff_ffffffff)

armv8中：

• 虚拟地址支持
  64位虚拟地址中，并不是所有位都用上，除了高16位用于区分内核空间和用户空间外，有效位的配置可以是：36, 39, 42, 47。这可决定linux内核中地址空间的大小。比如我使用的内核中有效位配置为config_arm64_va_bits=39，用户空间地址范围：0x00000000_00000000 ~ 0x0000007f_ffffffff，大小为512g，内核空间地址范围：0xffffff80_00000000 ~ 0xffffffff_ffffffff，大小为512g。

• 页面大小支持
  支持3种页面大小：4kb, 16kb, 64kb。

• 页表支持
  支持至少两级页表，至多四级页表，level 0 ~ level 3。

结合有效虚拟地址位， 页面大小，页表的级数，可以组合成不同的页表映射方式。
我使用的内核配置为：39位有效位，4kb大小页面，3级页表，所以我会以这个组合来介绍。
在armv8的手册中刚好找到了下图，描述了整个translation的过程，简直完美：

1. 虚拟地址[63:39]用于区分内核空间与用户空间，从而选择不同的ttbrn寄存器来获取level 1页表基地址；
2. 虚拟地址[38:30]放置level 1页表中的索引，从而找到对应的描述符地址并获取描述符内容，根据描述符中的内容获取level 2页表基地址;
3. 虚拟地址[29:21]level 2页表中的索引，从而找到对应的描述符地址并获取描述符内容，根据描述符中的内容获取level 3页表基地址;
4. 虚拟地址[20:12]level 3页表中的索引，从而找到对应的描述符地址并获取描述符内容，根据描述符中的内容获取物理地址的高36位，以4k地址对齐；
5. 虚拟地址[11:0]放置的是物理地址的偏移，结合获取的物理地址高位，最终得到物理地址。

讲到这里还没有完，是时候看一下table descriptor了，也就是页表中存放的内容，有以下四种类型：

类型有低两位来决定，其中level 0中的table descriptor只能输出level 1页表的地址，level 3中的table descriptor只能输出block addresses。
看到图中的attributes了吗，这些可以用于memory的权限控制，memory ordering，cache policy的操作等。

在armv8中，与页表相关的寄存器有：tcr_el1, ttbrx_el1.

3. linux页表映射

3.1 linux页表基本操作

看过《深入理解linux内核》的同学应该很熟悉下边这张图片，linux的分页模式（图中以x86为例，页表基地址由cr3寄存器指定）：

在linux内核中支持4级页表的模型，同时适用于32位和64位系统。

那么armv8与linux内核是怎么结合的呢？以我实际使用的设置（39位有效位，4kb大小页面，3级页表）为例，如下图所示：

基本上内核中关于页表的操作都会围绕着上图进行操作，似乎脱离了代码有点不太合适，那么就来一波fucking source code解析吧，主要讲讲各类page table相关的api。

代码路径：
arch/arm64/include/asm/pgtable-types.h：定义pgd_t, pud_t, pmd_t, pte_t等类型；
arch/arm64/include/asm/pgtable-prot.h：针对页表中entry中的权限内容设置；
arch/arm64/include/asm/pgtable-hwdef.h：主要包括虚拟地址中pgd/pmd/pud等的划分，这个与虚拟地址的有效位及分页大小有关，此外还包括硬件页表的定义， tcr寄存器中的设置等；
arch/arm64/include/asm/pgtable.h：页表设置相关；

在这些代码中可以看到，

• 当config_pgtable_levels=4时：pgd-->pud-->pmd-->pte;
• 当config_pgtable_levels=3时，没有pud页表：pgd(pud)-->pmd-->pte;
• 当config_pgtable_levels=2时，没有pud和pmd页表：pgd(pud, pmd)-->pte

常用的宏定义

页表处理

/*描述各级页表中的页表项*/
typedef struct { pteval_t pte; } pte_t;
typedef struct { pmdval_t pmd; } pmd_t;
typedef struct { pudval_t pud; } pud_t;
typedef struct { pgdval_t pgd; } pgd_t;

/*  将页表项类型转换成无符号类型 */
#define pte_val(x)  ((x).pte)
#define pmd_val(x)  ((x).pmd)
#define pud_val(x)  ((x).pud)
#define pgd_val(x)  ((x).pgd)

/*  将无符号类型转换成页表项类型 */
#define __pte(x)    ((pte_t) { (x) } )
#define __pmd(x)    ((pmd_t) { (x) } )
#define __pud(x)    ((pud_t) { (x) } )
#define __pgd(x)    ((pgd_t) { (x) } )

/* 获取页表项的索引值 */
#define pgd_index(addr)     (((addr) >> pgdir_shift) & (ptrs_per_pgd - 1))
#define pud_index(addr)     (((addr) >> pud_shift) & (ptrs_per_pud - 1))
#define pmd_index(addr)     (((addr) >> pmd_shift) & (ptrs_per_pmd - 1))
#define pte_index(addr)     (((addr) >> page_shift) & (ptrs_per_pte - 1))

/*  获取页表中entry的偏移值 */
#define pgd_offset(mm, addr)    (pgd_offset_raw((mm)->pgd, (addr)))
#define pgd_offset_k(addr)  pgd_offset(&init_mm, addr)
#define pud_offset_phys(dir, addr)  (pgd_page_paddr(*(dir)) + pud_index(addr) * sizeof(pud_t))
#define pud_offset(dir, addr)       ((pud_t *)__va(pud_offset_phys((dir), (addr))))
#define pmd_offset_phys(dir, addr)  (pud_page_paddr(*(dir)) + pmd_index(addr) * sizeof(pmd_t))
#define pmd_offset(dir, addr)       ((pmd_t *)__va(pmd_offset_phys((dir), (addr))))
#define pte_offset_phys(dir,addr)   (pmd_page_paddr(read_once(*(dir))) + pte_index(addr) * sizeof(pte_t))
#define pte_offset_kernel(dir,addr) ((pte_t *)__va(pte_offset_phys((dir), (addr))))

3.2 head.s中的页表映射

3.2.1 idmap_pg_dir和swapper_pg_dir临时页表

是时候来个实例分析了，看看页表的创建过程，代码路径：arch/arm64/kernel/head.s。
内核启动过程中，在真正的物理内存尚未添加进系统，以及页表还未初始化之前，为了保证系统能正常运行，需要建立两个临时全局页表：idmap_pg_dir和swapper_pg_dir：
其中两个全局页表的定义在arch/arm64/kernel/vmlinux.lds.s中，放置在bss段之后：

    . = align(page_size);
    idmap_pg_dir = .;
    . += idmap_dir_size;
    swapper_pg_dir = .;
    . += swapper_dir_size;

/*  定义了连续的几个页，分别存放pgd，pmd，pte等，连续在一起，这个也是head.s中填充的 */
#define swapper_dir_size    (swapper_pgtable_levels * page_size)
#define idmap_dir_size      (idmap_pgtable_levels * page_size)

• idmap_pg_dir
  从名字可以看出，identify map，也就是物理地址和虚拟地址是相等的。为什么需要这么一个映射呢？我们都知道在mmu打开之前，cpu访问的都是物理地址，那么当mmu打开后访问的就是虚拟地址了，这段页表的映射就是从cpu到打开mmu之前的这段代码物理地址的映射，防止开启mmu后，无法获取页表。可以从system.map文件中查看这些代码：
  

• swapper_pg_dir
  linux内核编译后，kernel image是需要进行映射的，包括text，data等各种段。

3.2.2 页表创建

在head.s中，创建页表相关的有三个宏：

1. create_pgd_entry

/*
 * macro to populate the pgd (and possibily pud) for the corresponding
 * block entry in the next level (tbl) for the given virtual address.
 *
 * preserves:   tbl, next, virt
 * corrupts:    tmp1, tmp2
 */
    .macro  create_pgd_entry, tbl, virt, tmp1, tmp2
    create_table_entry \tbl, \virt, pgdir_shift, ptrs_per_pgd, \tmp1, \tmp2
#if swapper_pgtable_levels > 3
    create_table_entry \tbl, \virt, pud_shift, ptrs_per_pud, \tmp1, \tmp2
#endif
#if swapper_pgtable_levels > 2
    create_table_entry \tbl, \virt, swapper_table_shift, ptrs_per_pte, \tmp1, \tmp2
#endif
    .endm

上述函数主要是调用create_table_entry，由于swapper_pgtables配置为3，因此相当于创建了pgd和pmd两级页表，此处需要注意一点，create_table_entry函数执行后，tbl参数会自动加上page_size，也就是说pgd和pmd两级页表是物理连续的。

1. create_block_map

/*
 * macro to populate block entries in the page table for the start..end
 * virtual range (inclusive).
 *
 * preserves:   tbl, flags
 * corrupts:    phys, start, end, pstate
 */
    .macro  create_block_map, tbl, flags, phys, start, end
    lsr \phys, \phys, #swapper_block_shift
    lsr \start, \start, #swapper_block_shift
    and \start, \start, #ptrs_per_pte - 1   // table index
    orr \phys, \flags, \phys, lsl #swapper_block_shift  // table entry
    lsr \end, \end, #swapper_block_shift
    and \end, \end, #ptrs_per_pte - 1       // table end index
9999:   str \phys, [\tbl, \start, lsl #3]       // store the entry
    add \start, \start, #1          // next entry
    add \phys, \phys, #swapper_block_size       // next block
    cmp \start, \end
    b.ls    9999b
    .endm

上述函数主要是往block中填充pte entry，真正创建虚拟地址到物理地址的映射，映射区域：start ~ end。

1. create_table_entry

/*
 * macro to create a table entry to the next page.
 *
 *  tbl:    page table address
 *  virt:   virtual address
 *  shift:  #imm page table shift
 *  ptrs:   #imm pointers per table page
 *
 * preserves:   virt
 * corrupts:    tmp1, tmp2
 * returns: tbl -> next level table page address
 */
    .macro  create_table_entry, tbl, virt, shift, ptrs, tmp1, tmp2
    lsr \tmp1, \virt, #\shift
    and \tmp1, \tmp1, #\ptrs - 1    // table index
    add \tmp2, \tbl, #page_size
    orr \tmp2, \tmp2, #pmd_type_table   // address of next table and entry type
    str \tmp2, [\tbl, \tmp1, lsl #3]
    add \tbl, \tbl, #page_size      // next level table page
    .endm

上述函数创建页表项，并且返回下一个level的页表地址。

上述三个孤立的函数并不直观，所以，图来了：

总体来说，页表的创建过程相对来说还是比较易懂的，掌握好几级页表及各级页表index所占的位域，此外熟悉各个level页表中entry的格式，理解起来就会顺畅很多了。

一抠细节深似海，点到为止，防止一叶障目不见泰山，收工！