专题：Linux内存管理专题
关键词：swapper_pd_dir、ARM PGD/PTE、Linux PGD/PTE、pgd_offset_k。
Linux下的页表映射分为两种，一是Linux自身的页表映射，另一种是ARM32 MMU硬件的映射。
1. ARM32页表映射
由于ARM32和Linux内核维护的页表项有所不同，所以维护了两套PTE。
PGD存放在swapper_pd_dir中，一个PGD目录项其实包含了两份ARM32 PGD。
所以再分配PTE的时候，共分配了1024个PTE，512个给Linux OS维护用；512个给ARM32 MMU用，对应两个PGD的页表数目。
由于Linux OS和ARM32的PTE紧邻，所以两者的转换也方便进行。
1.1 ARM32处理器查询页表
32bit的Linux采用三级映射：PGD-->PMD-->PTE，64bit的Linux采用四级映射：PGD-->PUD-->PMD-->PTE，多了个PUD。
缩写是PGD：Page Global Directory、PUD：Page Upper Directory、PMD：Page Middle Directory、PTE：Page Table Entry。
在ARM32 Linux采用两层映射，省略了PMD，除非在定义了CONFIG_ARM_LPAE才会使用3级映射。
在ARM32架构中，可以按段(section)来映射，这是采用单层映射模式。
使用页面映射需要两层映射结构，页面可以是64KB或4KB大小。
1.1.1 ARM32架构MMU4KB页面映射过程
如果采用页表映射的方式，段映射表就变成一级映射表(Linux中称为PGD)，其页表项提供的不再是物理地址，而是二级页表的基地址。
32位虚拟地址的高12位(bit[31:20])作为访问一级页表的索引值，找到相应的表项，每个表项指向一个二级页表。
以虚拟地址的次8位(bit[19:12])作为访问二级页表的索引值，得到相应的页表项，从这个页表项中找到20位的物理页面地址。
最后将这20位物理页面地址和虚拟地址的低12位拼凑在一起，得到最终的32位物理地址。
这个过程在ARM32架构中由MMU硬件完成，软件不需要接入。
ARM32架构MMU页表映射过程
1.1.2 ARMv7-AR中关于Short Descriptor映射概览图
关于4K页表的映射过程在ARMv7-AR用户架构手册有关介绍。
一个地址映射的概览图，32位虚拟地址从TTBR1中找到First-level table地址，然后取虚拟地址VA[31:20]作为序号找到Second-level table地址。
取虚拟地址VA[19:12]作为序号找到Page地址。
规格书中Small Page映射过程
Figure B3-11 Small page address translation是映射的细节：
1.2 Linux页表映射相关数据结构
我们知道在map_lowmem()使用create_mapping()创建页表映射，这个函数的参数结构是struct map_desc。
下面来研究它的相关结构，有助于理解内核是如何处理页表映射的。
archarmincludeasmmachmap.h: struct map_desc { unsigned long virtual;------虚拟地址起始地址 unsigned long pfn;----------物理地址开始页帧号 unsigned long length;-------内存空间大小 unsigned int type;----------mem_types中的序号 };
map_desc中的type指向类型为struct mem_type的mem_types数组：
archarmmmmm.h: struct mem_type { pteval_t prot_pte;------------PTE属性 pteval_t prot_pte_s2;---------定义CONFIG_ARM_LPAE才有效 pmdval_t prot_l1;-------------PMD属性 pmdval_t prot_sect;-----------Section类型映射 unsigned int domain;----------定义ARM中不同的域 }; archarmmmmmu.c: static struct mem_type mem_types[] = { ... [MT_MEMORY_RWX] = { .prot_pte = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY,----------------------注意这里都是L_PTE_*类型，需要在写入MMU对应PTE时进行转换。 .prot_l1 = PMD_TYPE_TABLE, .prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AP_WRITE, .domain = DOMAIN_KERNEL, }, [MT_MEMORY_RW] = { .prot_pte = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY | L_PTE_XN, .prot_l1 = PMD_TYPE_TABLE, .prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AP_WRITE, .domain = DOMAIN_KERNEL, }, ... }
下面重点关注Page Table类型的一级页表和二级页表的细节，以及Linux内核中的定义：
ARM32中PGD定义
下面是First-level descriptor详细说明：
/* * Hardware page table definitions. * * + Level 1 descriptor (PMD) * - common */ #define PMD_TYPE_MASK (_AT(pmdval_t, 3) << 0)---------------------------01对应PageTable #define PMD_TYPE_FAULT (_AT(pmdval_t, 0) << 0) #define PMD_TYPE_TABLE (_AT(pmdval_t, 1) << 0) #define PMD_TYPE_SECT (_AT(pmdval_t, 2) << 0) #define PMD_PXNTABLE (_AT(pmdval_t, 1) << 2) /* v7 */ #define PMD_BIT4 (_AT(pmdval_t, 1) << 4) #define PMD_DOMAIN(x) (_AT(pmdval_t, (x)) << 5) #define PMD_PROTECTION (_AT(pmdval_t, 1) << 9) /* v5 */
ARM32中PTE定义
下面是Second-level descriptor详细说明：
/* * + Level 2 descriptor (PTE) * - common */ #define PTE_TYPE_MASK (_AT(pteval_t, 3) << 0) #define PTE_TYPE_FAULT (_AT(pteval_t, 0) << 0) #define PTE_TYPE_LARGE (_AT(pteval_t, 1) << 0) #define PTE_TYPE_SMALL (_AT(pteval_t, 2) << 0) #define PTE_TYPE_EXT (_AT(pteval_t, 3) << 0) /* v5 */ #define PTE_BUFFERABLE (_AT(pteval_t, 1) << 2) #define PTE_CACHEABLE (_AT(pteval_t, 1) << 3) /* * - extended small page/tiny page */ #define PTE_EXT_XN (_AT(pteval_t, 1) << 0) /* v6 */ #define PTE_EXT_AP_MASK (_AT(pteval_t, 3) << 4) #define PTE_EXT_AP0 (_AT(pteval_t, 1) << 4) #define PTE_EXT_AP1 (_AT(pteval_t, 2) << 4) #define PTE_EXT_AP_UNO_SRO (_AT(pteval_t, 0) << 4) #define PTE_EXT_AP_UNO_SRW (PTE_EXT_AP0) #define PTE_EXT_AP_URO_SRW (PTE_EXT_AP1) #define PTE_EXT_AP_URW_SRW (PTE_EXT_AP1|PTE_EXT_AP0) #define PTE_EXT_TEX(x) (_AT(pteval_t, (x)) << 6) /* v5 */ #define PTE_EXT_APX (_AT(pteval_t, 1) << 9) /* v6 */ #define PTE_EXT_COHERENT (_AT(pteval_t, 1) << 9) /* XScale3 */ #define PTE_EXT_SHARED (_AT(pteval_t, 1) << 10) /* v6 */ #define PTE_EXT_NG (_AT(pteval_t, 1) << 11) /* v6 */
Linux中PTE定义
由于Linux对于PTE的定义和ARM硬件不一致，下面的L_开头的定义都是针对Linux的，L_MT开头的是bit[5:2]表示的内存类型。
/* * "Linux" PTE definitions. * * We keep two sets of PTEs - the hardware and the linux version. * This allows greater flexibility in the way we map the Linux bits * onto the hardware tables, and allows us to have YOUNG and DIRTY * bits. * * The PTE table pointer refers to the hardware entries; the "Linux" * entries are stored 1024 bytes below. */ #define L_PTE_VALID (_AT(pteval_t, 1) << 0) /* Valid */ #define L_PTE_PRESENT (_AT(pteval_t, 1) << 0) #define L_PTE_YOUNG (_AT(pteval_t, 1) << 1) #define L_PTE_DIRTY (_AT(pteval_t, 1) << 6) #define L_PTE_RDONLY (_AT(pteval_t, 1) << 7) #define L_PTE_USER (_AT(pteval_t, 1) << 8) #define L_PTE_XN (_AT(pteval_t, 1) << 9) #define L_PTE_SHARED (_AT(pteval_t, 1) << 10) /* shared(v6), coherent(xsc3) */ #define L_PTE_NONE (_AT(pteval_t, 1) << 11) /* * These are the memory types, defined to be compatible with * pre-ARMv6 CPUs cacheable and bufferable bits: XXCB */ #define L_PTE_MT_UNCACHED (_AT(pteval_t, 0x00) << 2) /* 0000 */ #define L_PTE_MT_BUFFERABLE (_AT(pteval_t, 0x01) << 2) /* 0001 */ #define L_PTE_MT_WRITETHROUGH (_AT(pteval_t, 0x02) << 2) /* 0010 */ #define L_PTE_MT_WRITEBACK (_AT(pteval_t, 0x03) << 2) /* 0011 */ #define L_PTE_MT_MINICACHE (_AT(pteval_t, 0x06) << 2) /* 0110 (sa1100, xscale) */ #define L_PTE_MT_WRITEALLOC (_AT(pteval_t, 0x07) << 2) /* 0111 */ #define L_PTE_MT_DEV_SHARED (_AT(pteval_t, 0x04) << 2) /* 0100 */ #define L_PTE_MT_DEV_NONSHARED (_AT(pteval_t, 0x0c) << 2) /* 1100 */ #define L_PTE_MT_DEV_WC (_AT(pteval_t, 0x09) << 2) /* 1001 */ #define L_PTE_MT_DEV_CACHED (_AT(pteval_t, 0x0b) << 2) /* 1011 */ #define L_PTE_MT_VECTORS (_AT(pteval_t, 0x0f) << 2) /* 1111 */ #define L_PTE_MT_MASK (_AT(pteval_t, 0x0f) << 2)
ARM PMD描述符bit[8:5]用于描述Domain，但ARM Linux只定义使用三个：
#define DOMAIN_KERNEL 2---------用于内核空间 #define DOMAIN_TABLE 2 #define DOMAIN_USER 1-----------用于用户空间 #define DOMAIN_IO 0-------------用于I/O地址域
1.3 设置PGD页面目录
create_mapping的参数是struct map_desc类型，用于描述一个虚拟地址区域线性映射到物理区域。基于这块区域创建PGD/PTE。
static void __init create_mapping(struct map_desc *md) { unsigned long addr, length, end; phys_addr_t phys; const struct mem_type *type; pgd_t *pgd; ... type = &mem_types[md->type];------------------------------找到对应的struct mem_type ... addr = md->virtual & PAGE_MASK;---------------------------对齐到页 phys = __pfn_to_phys(md->pfn);----------------------------页到物理地址转换 length = PAGE_ALIGN(md->length + (md->virtual & ~PAGE_MASK)); ...
pgd = pgd_offset_k(addr);---------------------------------根据addr找到对应虚拟地址对应的pgd地址 end = addr + length; do { unsigned long next = pgd_addr_end(addr, end); alloc_init_pud(pgd, addr, next, phys, type);----------初始化下一级页表 phys += next - addr; addr = next; } while (pgd++, addr != end);-----------------------------遍历区间地址，步长是PGDIR_SIZE，即2MB大小的空间。 }
这里面有三个地方需要解释：
pgd_offset_k
将虚拟地址进行转换得到PMD的指针。
#define PGDIR_SHIFT 21 /* to find an entry in a page-table-directory */ #define pgd_index(addr) ((addr) >> PGDIR_SHIFT) #define pgd_offset(mm, addr) ((mm)->pgd + pgd_index(addr)) #define pgd_offset_k(addr) pgd_offset(&init_mm, addr) struct mm_struct init_mm = { .mm_rb = RB_ROOT, .pgd = swapper_pg_dir, .mm_users = ATOMIC_INIT(2), .mm_count = ATOMIC_INIT(1), .mmap_sem = __RWSEM_INITIALIZER(init_mm.mmap_sem), .page_table_lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(init_mm.page_table_lock), .mmlist = LIST_HEAD_INIT(init_mm.mmlist), INIT_MM_CONTEXT(init_mm) };
由虚拟内存布局图中swapper_pg_dir可知，大小为16KB，里面有详细的解释。init_mm.pgd指向swapper_pg_dir。
pgd_addr_end
includeasm-genericpgtable.h: #define pgd_addr_end(addr, end) ({ unsigned long __boundary = ((addr) + PGDIR_SIZE) & PGDIR_MASK; (__boundary - 1 < (end) - 1)? __boundary: (end); }) archarmincludeasmpgtable-2level.h: /* * PMD_SHIFT determines the size of the area a second-level page table can map * PGDIR_SHIFT determines what a third-level page table entry can map */ #define PMD_SHIFT 21 #define PGDIR_SHIFT 21 #define PMD_SIZE (1UL << PMD_SHIFT) #define PMD_MASK (~(PMD_SIZE-1)) #define PGDIR_SIZE (1UL << PGDIR_SHIFT) #define PGDIR_MASK (~(PGDIR_SIZE-1))
由于PGDIR_SHIFT为21，所以一个PGD页表目录对应2MB大小的空间，即[addr, addr+PGDIR_SIZE)。所以PGD的数目为2^11，2028个。整个PGD页表占用空间为2048*4B=8KB。
这和ARM硬件的4096 PGD不一致。这里涉及到Linux实现技巧，在创建PTE中进行分析。
所以此处按照2MB步长，遍历[virtual, virtual+length)空间创建PDG页表和PTE。
alloc_init_pte
由于ARM-Linux采用两级页表映射，跳过PUD/PMD，直接到alloc_init_pte创建PTE。
alloc_init_pud-->alloc_init_pmd-->alloc_init_pte archarmmmmmu.c: static void __init alloc_init_pte(pmd_t *pmd, unsigned long addr,------------这里的pmd=pud=pgd。 unsigned long end, unsigned long pfn, const struct mem_type *type) { pte_t *pte = early_pte_alloc(pmd, addr, type->prot_l1);------------------使用prot_l1作为参数，创建PGD页表目录,返回addr对应的pte地址。 do { set_pte_ext(pte, pfn_pte(pfn, __pgprot(type->prot_pte)), 0);---------调用体系结构相关汇编，配置PTE。 pfn++; } while (pte++, addr += PAGE_SIZE, addr != end);-------------------------遍历[addr, end)区间内存，以PAGE_SIZE为步长。 }
下面看看如何分配PGD页表目录：
static pte_t * __init early_pte_alloc(pmd_t *pmd, unsigned long addr, unsigned long prot) { if (pmd_none(*pmd)) {---------------------------------------------------如果PGD的内容为空，即PTE还没有创建，择取建立页面。 pte_t *pte = early_alloc(PTE_HWTABLE_OFF + PTE_HWTABLE_SIZE);-------分配512+512个PTE页表项 __pmd_populate(pmd, __pa(pte), prot);-------------------------------生成pmd页表目录，并刷入RAM } BUG_ON(pmd_bad(*pmd)); return pte_offset_kernel(pmd, addr);------------------------------------返回当前addr对应的PTE地址 } early_alloc-->early_alloc_aligned： static void __init *early_alloc_aligned(unsigned long sz, unsigned long align) { void *ptr = __va(memblock_alloc(sz, align));-------------------------------------基于memblock进行分配，这里分配4096B，刚好是一页大小。 memset(ptr, 0, sz); return ptr; }
所以存放PGD需要的空间通过memblock进行申请，PTE_HWTABLE_OFF和PTE_HWTABLE_SIZE都为512，所以一个1024个PTE。
下面是early_pte_alloc分配的空间示意图：前面512个表项是给Linux OS使用的，后512个表项是给ARM硬件MMU用的。
Linux内核PGD/PTE映射关系
static inline void __pmd_populate(pmd_t *pmdp, phys_addr_t pte, pmdval_t prot) { pmdval_t pmdval = (pte + PTE_HWTABLE_OFF) | prot;------------------生成pmdp[0]的内容 pmdp[0] = __pmd(pmdval); #ifndef CONFIG_ARM_LPAE pmdp[1] = __pmd(pmdval + 256 * sizeof(pte_t));---------------------生成紧邻的pmdp[1]的内容 #endif flush_pmd_entry(pmdp);---------------------------------------------将pmdp两个刷入到RAM中 }
Linux的PGD页表目录和ARM32不同，总数和ARM32是一样的。
在arm_mm_memblock_reserve中，通过swapper_pg_dir可以知道其大小为16KB。
就来看看SWAPPER_PG_DIR_SIZE，一共2048个PGD，但是每个PGD包含了两个相邻的PGD页面目录项。
typedef pmdval_t pgd_t[2];---------------------------------------------8字节
#define SWAPPER_PG_DIR_SIZE (PTRS_PER_PGD * sizeof(pgd_t))-------------2048*8B=16KB
/* * Reserve the special regions of memory */ void __init arm_mm_memblock_reserve(void) { /* * Reserve the page tables. These are already in use, * and can only be in node 0. */ memblock_reserve(__pa(swapper_pg_dir), SWAPPER_PG_DIR_SIZE); ... }
1.4 设置PTE表项
要理解是如何设置PTE表项，就需要参照B3.3.1 Translation table entry formants中关于Second-level descriptors的描述。
archarmincludeasmpgtable-2level.h: #define set_pte_ext(ptep,pte,ext) cpu_set_pte_ext(ptep,pte,ext) archarmincludeasmglue-proc.h: #ifndef MULTI_CPU ... #define cpu_set_pte_ext __glue(CPU_NAME,_set_pte_ext) ...
#endif archarmmmproc-v7-2level.S: /* * cpu_v7_set_pte_ext(ptep, pte) * * Set a level 2 translation table entry. * * - ptep - pointer to level 2 translation table entry----------放入r0 * (hardware version is stored at +2048 bytes) * - pte - PTE value to store----------------------------------放入r1 * - ext - value for extended PTE bits------------------------放入r2 */ ENTRY(cpu_v7_set_pte_ext) #ifdef CONFIG_MMU str r1, [r0] @ linux version----------将r1的值存入r0地址的内存中 bic r3, r1, #0x000003f0--------------------------清除r1的bit[9:4]，存入r3 bic r3, r3, #PTE_TYPE_MASK-----------------------PTE_TYPE_MASK为0x03，记清除低2位 orr r3, r3, r2-----------------------------------r3与r2或，存入r3 orr r3, r3, #PTE_EXT_AP0 | 2---------------------这里将bit1和bit4置位，所以是Small page。 tst r1, #1 << 4----------------------------------判断r1的bit4是否为0 orrne r3, r3, #PTE_EXT_TEX(1)--------------------设置TEX为1 eor r1, r1, #L_PTE_DIRTY tst r1, #L_PTE_RDONLY | L_PTE_DIRTY orrne r3, r3, #PTE_EXT_APX-----------------------设置AP[2] tst r1, #L_PTE_USER orrne r3, r3, #PTE_EXT_AP1-----------------------设置AP[1] tst r1, #L_PTE_XN orrne r3, r3, #PTE_EXT_XN------------------------设置XN位 tst r1, #L_PTE_YOUNG tstne r1, #L_PTE_VALID eorne r1, r1, #L_PTE_NONE tstne r1, #L_PTE_NONE moveq r3, #0 ARM( str r3, [r0, #2048]! )---------------------并没有写入r0，而是写入r0+2048Bytes的偏移。 THUMB( add r0, r0, #2048 ) THUMB( str r3, [r0] ) ALT_SMP(W(nop)) ALT_UP (mcr p15, 0, r0, c7, c10, 1) @ flush_pte #endif bx lr ENDPROC(cpu_v7_set_pte_ext)