linux内存管理笔记(八）---内核临时页表的创建

前面几节，我们已经看到了x86的分段和分页硬件单元把逻辑地址转换为线性地址，再由线性地址转换到物理地址的基本原理，那么这几张我们来主要是用来学习，内核是怎么实现页表的创建，本章基于imx6ull和qemu来学习整个过程，其主要内容如下：

1. imx6ull支持段映射方式
2. 内核启动主要概述
3. 内核临时页表

1. 段映射方式

在之前页式存储管理中，我们主要是针对x86处理器来描述虚拟地址到物理地址的转换，对于ARM处理器来说，映射答题跟x86基本类似，但是它支持段映射和二级映射，对于内核的临时页表，其主要采用的是段映射的方式。段映射只需要1级页表，段映射的大小为1MB。其方式为

而对于临时页表采用的就是段映射方式，CPU发出的虚拟地址后，MMU利用该地址的高12位做为索引值，以一级页表基地址位起始地址索引对应的页表项后，根据页表项的内容找到对应的起始物理地址。

2. 内核的启动引入

当U-boot启动后，通过r1,r2来将启动参数传递给内核，arm的启动(arch/arm/kernel/head.S)中kernel热人口地址对应stext，其主要做了以下几件事情

• 设置svc模式，关闭所有中断
• 获取CPU ID，提取相应的proc info
• 验证tags或者dtb
• 创建临时内核页表的页表项
• 配置r13寄存器，也就是设置打开MMU之后要跳转到的函数
• 使能MMU
• 跳转到start_kernel，也就是跳转到第二阶段

kernel里面的所有符号在链接时，都使用了虚拟地址值。在完成基本的初始化后，kernel代码将跳到第一个C语言函数start_kernl来 执行，这些虚拟地址必须能够对它所存放在真正内存位置，否则运行将为出错。为此，CPU必须开启MMU，但在开启MMU前，必须为虚拟地址到 物理地址的映射建立相应的面表。对应的各个宏的解释如下，为后面分析做好判断

宏	默认值	定义
KERNEL_RAM_VADDR	0xc0008000	内核在内存的虚拟地址
PAGE_OFFSET	0xc0000000	内核虚拟地址空间的起始地址
TEXT_OFFSET	0x00008000	内核起始位置相对于内存起始位置的偏移
PHYS_OFFSET	0x80000000	物理内存的起始地址

3. 内核临时页表项

内核通过__create_page_tables创建临时页表项，我们来看以一下其处理流程

__create_page_tables:
	pgtbl	r4, r8				@ page table address

首先就使用pgtbl，而这个是一个宏，定义如下：

	.macro	pgtbl, rd, phys
	add	\rd, \phys, #TEXT_OFFSET
	sub	\rd, \rd, #PG_DIR_SIZE
	.endm

其实际上是这样

add	r4, r8, #TEXT_OFFSET
sub	r4, r4, #PG_DIR_SIZE

由r8为PHYS_OFFSET，那么r4的值为PHYS_OFFSET+TEXT_OFFSET-PG_DIR_SIZE=0x80000000+0x00008000-0x4000=0x80004000，将r4设置成页表的基地址，页表将4G的地址空间分成若干个1M的段，因此页表包含4096个页表项。每个页表项是4字节，那么页表就占用4096*4=16K的内存空间。之后就将这16K的页表项清0

	mov	r0, r4
	mov	r3, #0
	add	r6, r0, #PG_DIR_SIZE
1:	str	r3, [r0], #4
	str	r3, [r0], #4
	str	r3, [r0], #4
	str	r3, [r0], #4
	teq	r0, r6
	bne	1b

由于IMX不支持CONFIG_ARM_LPAE((Large Physical Address Extensions)大型物理地址扩展，那么就直接运行下面的

	ldr	r7, [r10, #PROCINFO_MM_MMUFLAGS] @ mm_mmuflags

	/*
	 * Create identity mapping to cater for __enable_mmu.
	 * This identity mapping will be removed by paging_init().
	 */
	adr	r0, __turn_mmu_on_loc
	ldmia	r0, {r3, r5, r6}
	sub	r0, r0, r3			@ virt->phys offset
	add	r5, r5, r0			@ phys __turn_mmu_on
	add	r6, r6, r0			@ phys __turn_mmu_on_end
	mov	r5, r5, lsr #SECTION_SHIFT
	mov	r6, r6, lsr #SECTION_SHIFT

首先从proc_info_list结构体获取__cpu_mm_mmu_flags，该字段包含了存储空间访问权限等，并存储在r7中，然后取__turn_mmu_on_loc处的地址保存在r0,然后从这块内存中读取3个word到r3，r5，r6中，那么这3个word里面放的什么呢？

__turn_mmu_on_loc:
	.long	.
	.long	__turn_mmu_on
	.long	__turn_mmu_on_end

那么sub r0, r0, r3意义就很明确了，就是求出__turn_mmu_on_loc这个标号的物理地址和虚拟地址之间的偏移量。然后根据这个偏移量求出__turn_mmu_on的物理地址r5和__turn_mmu_on_end的物理地址r6，后面就是最关键的，mov r5, r5, lsr #SECTION_SHIFT通过r5的高12位，通过右移20位得到，最终得到kernel的section机制，r5存放起始地址的段序号，r6存放末地址的段序号。

1:	orr	r3, r7, r5, lsl #SECTION_SHIFT	@ flags + kernel base
	str	r3, [r4, r5, lsl #PMD_ORDER]	@ identity mapping
	cmp	r5, r6
	addlo	r5, r5, #1			@ next section
	blo	1b

该过程是将r7(也就是段的flag)和r5左移20位，也就是段页表项的内容，然后将段页表项的值写到对应的段页表项中，段页表项的地址=段页表起始地址(r4)+段序号r5*段页表项的size，最后通过判断是否写到__turn_mmu_on_end地址，如果没有写入，继续写入下一段，该过程主要是完成__turn_mmu_on代码的映射。

	/*
	 * Map our RAM from the start to the end of the kernel .bss section.
	 */
	add	r0, r4, #PAGE_OFFSET >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)        ----------------  (1)
	ldr	r6, =(_end - 1)
	orr	r3, r8, r7		                                          ------------------(2)
	add	r6, r4, r6, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)               ------------------(3)
1:	str	r3, [r0], #1 << PMD_ORDER                                  ------------------(4)
	add	r3, r3, #1 << SECTION_SHIFT
	cmp	r0, r6
	bls	1b

1. PAGE_OFFSET表示内核空间的偏移，这里是0xc0000000，也就是内核映射区的起始段的起始地址。将PAGE_OFFSET左移动(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)后得到该地址所在段的段页表项的地址偏移，最后将段页表项的地址偏移+临时内核页表地址得到0xc0000000所在段的段页表项的物理地址，并放到r0中，而r6中存放内核映射区的末尾地址。
2. 将DDR起始物理地址(r8)或上MMU的表示(r7)，得到0xc0000000所在段的段页表项内容，存放到r3中。
3. 将内核映射区的末尾地址(r6)左移(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)后得到其所在段的段页表项的物理地址
4. 将r3存入当前段页表项中（[r0]），然后将r0加上4，得到下一个段页表项的地址，更新r3中的页表项值为下一个段的页表项值，也就是直接加上，判断是否已经到达内核映射区的末尾，如果不是就进入下一个循环。

从上面可以看出，这段主要是完成对kernel内核空间进行映射，我们可以通过内核的System.map文件可以看出内核的起始和结束地址为

c0008000 T _text
c10e8eec B _end

其相应在物理地址上的内存区域是0x80008000到0x810e8eec区域，因此就完成了创建物理区[0x80008000-0x810e8eec]到内核映射区[0xc0008000-0xc10e8eec]的内存映射。

接下来代码就完成了DTB的映射，其代码如下

	mov	r0, r2, lsr #SECTION_SHIFT                                           ---------------(1)
	movs	r0, r0, lsl #SECTION_SHIFT
	subne	r3, r0, r8
	addne	r3, r3, #PAGE_OFFSET                                             
	addne	r3, r4, r3, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)                     ---------------(2)
	orrne	r6, r7, r0
	strne	r6, [r3], #1 << PMD_ORDER
	addne	r6, r6, #1 << SECTION_SHIFT
	strne	r6, [r3]

1. 首先将dtb起始物理地址(r2)左移SECTION_SHIFT，存放在r0中，再将r0右移SECTION_SHIFT得到这个物理内存段的地址（和上一步简单理解就是把低20位清零），计算dtb物理内存段(r0)对应DRAM起始地址(r8)的偏移，存放在r3中，将偏移(r3)加上，内核空间起始地址PAGE_OFFSET，得到要映射到的虚拟地址
2. 取要映射的虚拟地址的段的页表项的地址，存放在r3中，将物理内存段地址（r0）或上mmu标识（r7），得到对应页表项值，存放到r6中。将页表项值(r6)写入到页表项中（[r3]），然后r3+4,获取到下一个页表项的地址，页表项值+0x100000，得到下一个页表项应该写入的页表项值，将页表项值(r6)写入到页表项中（[r3]）

总结，create_page_table完成了3种地址映射的页表空间：

1. turn_mmu_on所映射的1M空间的屏映射：那么为什么要做映射呢？在执行开启MMU指令之前，CPU取指是在0x80008000附件，如果只做kernel_image的映射，开启MMU后，CPU所看到的地址就全变了，那么就可能无法执行。完成平映射后，就可以完美解决从0x8xxxxxxx到0xcxxxxxxx的过渡。
2. kernel_image的线性映射：kernel编译链接的入口地址在0xc0008000，但其物理地址不等于链接的虚拟地址，需要将物理地址映射到对应的虚拟地址空间。
3. atags(DTB)所在的1M空间的线性映射：当MMU开启后，内核只能访问虚拟地址空间，无法访问物理地址空间，所以就需要做相应的映射。