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arm64内存管理
恒等映射
页表定义，采用4级分页模型
创建页表
内存属性
从进程角度看，需要内存的地方
1、进程本身，代码段、数据段用来存储程序本身需要的数据
2、栈空间：用来保存函数调用关系、局部变量、函数参数、函数返回值等
3、堆空间：动态分配的内存
arm64内存管理
MMU包括TLB和页表遍历单元。
TLB是一个高速缓存，用于缓存页表转换的结果，从而缩短页表查询的时间。
在得到物理地址后，首先要查询该物理地址的内容是否在高速缓存中。
恒等映射
物理地址=虚拟地址
从bootloader跳转到操作系统入口时，MMU是关闭的,意味着不能使用高速缓存。
在关闭MMU的情况下，处理器访问的地址都是物理地址，当打开MMU时，访问的是虚拟地址。
恒等映射的目的：保证处理器在开启MMU前后可以连续取指令，因为处理器大多是流水线体系结构。
恒等映射的创建
低512M内存映射到虚拟地址0~512M地址空间；采用4KB大小的页面和48位地址宽度来创建恒等映射。
页表定义，采用4级分页模型
- 页全局目录（Page Global Directory,PGD）
- 页上级目录（Page Upper Directory,PUD）
- 页中间目录 (Page Middle Directory,PMD）
- 页表 (Page Table,PT)
- PGD的偏移量 39
页表的大小和页表项数量
#define PGDIR_SHIFT 39
#define PGDIR_SIZE (1UL << PGDIR_SHIFT)
#define PGDIR_MASK (~(PGDIR_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PGD (1 << (VA_BITS - PGDIR_SHIFT))
- PGDIR_SHIFT 表示PGD页表在虚拟地址中的起始偏移量
- PGDIR_SIZE 表示一个PGD页表项所能映射的区域大小
- PGDIR_MASK 用来屏蔽虚拟地址中PUD索引，PMD索引以及PT索引字段的位
- PTS_PER_PGD 表示PGD页表中页表项的个数。其中VA_BITS表示虚拟地址位宽（48位）
其他宏定义类似的含义。
/* PUD */
#define PUD_SHIFT 30
#define PUD_SIZE (1UL << PUD_SHIFT)
#define PUD_MASK (~(PUD_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PUD (1 << (PGDIR_SHIFT - PUD_SHIFT))
/* PMD */
#define PMD_SHIFT 21
#define PMD_SIZE (1UL << PMD_SHIFT)
#define PMD_MASK (~(PMD_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PMD (1 << (PUD_SHIFT - PMD_SHIFT))
/* PTE */
#define PTE_SHIFT 12
#define PTE_SIZE (1UL << PTE_SHIFT)
#define PTE_MASK (~(PTE_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PTE (1 << (PMD_SHIFT - PTE_SHIFT))
PTE属性
#define PTE_TYPE_MASK (3UL << 0)
#define PTE_TYPE_FAULT (0UL << 0)
#define PTE_TYPE_PAGE (3UL << 0)
#define PTE_TABLE_BIT (1UL << 1)
#define PTE_USER (1UL << 6) /* AP[1] */
#define PTE_RDONLY (1UL << 7) /* AP[2] */
#define PTE_SHARED (3UL << 8) /* SH[1:0], inner shareable */
#define PTE_AF (1UL << 10) /* Access Flag */
#define PTE_NG (1UL << 11) /* nG */
#define PTE_DBM (1UL << 51) /* Dirty Bit Management */
#define PTE_CONT (1UL << 52) /* Contiguous range */
#define PTE_PXN (1UL << 53) /* Privileged XN */
#define PTE_UXN (1UL << 54) /* User XN */
#define PTE_HYP_XN (1UL << 54) /* HYP XN */
根据内存的属性，页表项的属性
不同类型的页面采用哪种属性？
- 操作系统的代码段和数据段都应该采用普通内存
页表数据结构
typedef struct
{
unsigned long long pte;
}pte_t;
#define pte_val(x) ((x).pte)
#define __pmd(x) (pte_t) ((x))
创建页表
页表创建是软件完成，页表的遍历是MMU自动完成，在打开MMU之前，软件需要手动创建4级页表。
在链接脚本中的数据段中，预留4KB大小的内存空间给PGD页表
SECTIONS
{
_data = .;
.data : { *(.data) }
. = ALIGN(4096);
idmap_pg_dir = .;
. += 4096;
_edata = .;
}内存属性
- 代码段，代码段有只读、可执行属性，因此他们必须映射到PAGE_KERNEL_ROX属性
- 数据段以及剩下内存。普通属性，映射到PAGE_KERNEL
- 寄存器空间地址，寄存器地址空间属于设备类型内存，映射到PORT_DEVICE_nGnRnE属性。
static void create_identical_mapping(void)
{
unsigned long start;
unsigned long end;
/*map text*/
start = (unsigned long)_text_boot;
end = (unsigned long)_etext;
__create_pgd_mapping((pgd_t *)idmap_pg_dir, start, start,
end - start, PAGE_KERNEL_ROX,
early_pgtable_alloc,
0);
/*map memory*/
start = PAGE_ALIGN((unsigned long)_etext);
end = TOTAL_MEMORY;
__create_pgd_mapping((pgd_t *)idmap_pg_dir, start, start,
end - start, PAGE_KERNEL,
early_pgtable_alloc,
0);
}
static void create_mmio_mapping(void)
{
__create_pgd_mapping((pgd_t *)idmap_pg_dir, PBASE, PBASE,
DEVICE_SIZE, PROT_DEVICE_nGnRnE,
early_pgtable_alloc,
0);
}
//PGD 创建页表的基地址
/*
port 内存属性
*/
static void __create_pgd_mapping(pgd_t *pgdir, unsigned long phys,
unsigned long virt, unsigned long size,
unsigned long prot,
unsigned long (*alloc_pgtable)(void),
unsigned long flags)
{
pgd_t *pgdp = pgd_offset_raw(pgdir, virt);
unsigned long addr, end, next;
phys &= PAGE_MASK;
addr = virt & PAGE_MASK;
end = PAGE_ALIGN(virt + size);
do {
next = pgd_addr_end(addr, end);
alloc_init_pud(pgdp, addr, next, phys,
prot, alloc_pgtable, flags);
phys += next - addr;
} while (pgdp++, addr = next, addr != end);
}以PGDIR_SIZE为步长遍历内存区域[virt,virt+size]；
调用alloc_init_pud初始化PGD页表项内容和PUD
pgd_addr_end以PGDIR_SIZE为步长
static void alloc_init_pud(pgd_t *pgdp, unsigned long addr,
unsigned long end, unsigned long phys,
unsigned long prot,
unsigned long (*alloc_pgtable)(void),
unsigned long flags)
{
pgd_t pgd = *pgdp;
pud_t *pudp;
unsigned long next;
if (pgd_none(pgd)) {
unsigned long pud_phys;
pud_phys = alloc_pgtable();
set_pgd(pgdp, __pgd(pud_phys | PUD_TYPE_TABLE));
pgd = *pgdp;
}
pudp = pud_offset_phys(pgdp, addr);
do {
next = pud_addr_end(addr, end);
alloc_init_pmd(pudp, addr, next, phys,
prot, alloc_pgtable, flags);
phys += next - addr;
} while (pudp++, addr = next, addr != end);
}
- 如果pgd页表项的内容为空，说明下一级页表还没创建，需要动态分配下一级页表。
- 使用alloc_pgtable函数分配一个4KB页面用于PUD页表，
- PUD页表基地址pud_phys与相关属性PUD_TYPE_TABLE组成一个PGD页表项，然后通过set_pgd函数设置到相应的PGD页表项中。
pud_offset_phys()函数通过addr和PGD页表项来找到对应的PUD页表项。
alloc_init_pmd 创建下一级页表。
页表建立过程如下
__create_pgd_mapping->alloc_init_pud->alloc_init_pmd->alloc_init_pte
static unsigned long early_pgtable_alloc(void)
{
unsigned long phys;
phys = get_free_page();
memset((void *)phys, 0, PAGE_SIZE);
return phys;
}
unsigned long get_free_page(void)
{
int i;
for (i = 0; i < NR_PAGES; i++) {
if (mem_map[i] == 0) {
mem_map[i] = 1;
return LOW_MEMORY + i * PAGE_SIZE;
}
}
return 0;
}
