Linux内存管理 (2)页表的映射过程

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。

arch\arm\include\asm\mach\map.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：

arch\arm\mm\mm.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
};

arch\arm\mm\mmu.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(),
    .mm_count    = ATOMIC_INIT(),
    .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

include\asm-generic\pgtable.h:

#define pgd_addr_end(addr, end)                        \
({    unsigned long __boundary = ((addr) + PGDIR_SIZE) & PGDIR_MASK;    \
    (__boundary -  < (end) - )? __boundary: (end);        \
})

arch\arm\include\asm\pgtable-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

arch\arm\mm\mmu.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)), );---------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, , 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[] = __pmd(pmdval);
#ifndef CONFIG_ARM_LPAE
    pmdp[] = __pmd(pmdval +  * 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。

arch\arm\include\asm\pgtable-2level.h:
#define set_pte_ext(ptep,pte,ext) cpu_set_pte_ext(ptep,pte,ext)

arch\arm\include\asm\glue-proc.h:
#ifndef MULTI_CPU
...
#define cpu_set_pte_ext            __glue(CPU_NAME,_set_pte_ext)
...
#endif

arch\arm\mm\proc-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, # << 4----------------------------------判断r1的bit4是否为0
    orrne    r3, r3, #PTE_EXT_TEX()--------------------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, #

 ARM(    str    r3, [r0, #]! )---------------------并没有写入r0，而是写入r0+2048Bytes的偏移。
 THUMB(    add    r0, r0, # )
 THUMB(    str    r3, [r0] )
    ALT_SMP(W(nop))
    ALT_UP (mcr    p15, , r0, c7, c10, )        @ flush_pte
#endif
    bx    lr
ENDPROC(cpu_v7_set_pte_ext)