Linux下的頁表映射分為兩種，一是Linux自身的頁表映射，另一種是ARM32 MMU硬體的映射。
1. ARM32頁表映射
由于ARM32和Linux核心維護的頁表項有所不同，是以維護了兩套PTE。
PGD存放在swapper_pd_dir中，一個PGD目錄項其實包含了兩份ARM32 PGD。
是以再配置設定PTE的時候，共配置設定了1024個PTE，512個給Linux OS維護用；512個給ARM32 MMU用，對應兩個PGD的頁表數目。
由于Linux OS和ARM32的PTE緊鄰，是以兩者的轉換也友善進行。
1.1 ARM32處理器查詢頁表
32bit的Linux采用三級映射：PGD-->PMD-->PTE，64bit的Linux采用四級映射：PGD-->PUD-->PMD-->PTE，多了個PUD。
縮寫是PGD：Page Global Directory、PUD：Page Upper Directory、PMD：Page Middle Directory、PTE：Page Table Entry。
在ARM32 Linux采用兩層映射，省略了PMD，除非在定義了CONFIG_ARM_LPAE才會使用3級映射。
在ARM32架構中，可以按段(section)來映射，這是采用單層映射模式。
使用頁面映射需要兩層映射結構，頁面可以是64KB或4KB大小。
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1.1.1 ARM32架構MMU4KB頁面映射過程
如果采用頁表映射的方式，段映射表就變成一級映射表(Linux中稱為PGD)，其頁表項提供的不再是實體位址，而是二級頁表的基位址。
32位虛拟位址的高12位(bit[31:20])作為通路一級頁表的索引值，找到相應的表項，每個表項指向一個二級頁表。
以虛拟位址的次8位(bit[19:12])作為通路二級頁表的索引值，得到相應的頁表項，從這個頁表項中找到20位的實體頁面位址。
最後将這20位實體頁面位址和虛拟位址的低12位拼湊在一起，得到最終的32位實體位址。
這個過程在ARM32架構中由MMU硬體完成，軟體不需要接入。
1.1.2 ARMv7-AR中關于Short Descriptor映射概覽圖
關于4K頁表的映射過程在ARMv7-AR使用者架構手冊有關介紹。
一個位址映射的概覽圖，32位虛拟位址從TTBR1中找到First-level table位址，然後取虛拟位址VA[31:20]作為序号找到Second-level table位址。
取虛拟位址VA[19:12]作為序号找到Page位址。
規格書中Small Page映射過程
Figure B3-11 Small page address translation是映射的細節：
1.2 Linux頁表映射相關資料結構
我們知道在map_lowmem()使用create_mapping()建立頁表映射，這個函數的參數結構是struct map_desc。
下面來研究它的相關結構，有助于了解核心是如何處理頁表映射的。
arch\arm\include\asm\mach\map.h:
struct map_desc {
unsigned long virtual;------虛拟位址起始位址
unsigned long pfn;----------實體位址開始頁幀号
unsigned long length;-------記憶體空間大小
unsigned int type;----------mem_types中的序号
};
map_desc中的type指向類型為struct mem_type的mem_types數組：
arch\arm\mm\mm.h:
struct mem_type {
pteval_t prot_pte;------------PTE屬性
pteval_t prot_pte_s2;---------定義CONFIG_ARM_LPAE才有效
pmdval_t prot_l1;-------------PMD屬性
pmdval_t prot_sect;-----------Section類型映射
unsigned int domain;----------定義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,----------------------注意這裡都是L_PTE_*類型，需要在寫入MMU對應PTE時進行轉換。
.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,
},
...
}
下面重點關注Page Table類型的一級頁表和二級頁表的細節，以及Linux核心中的定義：
ARM32中PGD定義
下面是First-level descriptor詳細說明：
/*
* Hardware page table definitions.
*
* + Level 1 descriptor (PMD)
* - common
*/
#define PMD_TYPE_MASK (_AT(pmdval_t, 3) << 0)---------------------------01對應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定義
下面是Second-level descriptor詳細說明：
/*
* + 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定義
由于Linux對于PTE的定義和ARM硬體不一緻，下面的L_開頭的定義都是針對Linux的，L_MT開頭的是bit[5:2]表示的記憶體類型。
/*
* "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隻定義使用三個：
#define DOMAIN_KERNEL 2---------用于核心空間
#define DOMAIN_TABLE 2
#define DOMAIN_USER 1-----------用于使用者空間
#define DOMAIN_IO 0-------------用于I/O位址域
1.3 設定PGD頁面目錄
create_mapping的參數是struct map_desc類型，用于描述一個虛拟位址區域線性映射到實體區域。基于這塊區域建立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];------------------------------找到對應的struct mem_type
...
addr = md->virtual & PAGE_MASK;---------------------------對齊到頁
phys = __pfn_to_phys(md->pfn);----------------------------頁到實體位址轉換
length = PAGE_ALIGN(md->length + (md->virtual & ~PAGE_MASK));
...
pgd = pgd_offset_k(addr);---------------------------------根據addr找到對應虛拟位址對應的pgd位址
end = addr + length;
do {
unsigned long next = pgd_addr_end(addr, end);
alloc_init_pud(pgd, addr, next, phys, type);----------初始化下一級頁表
phys += next - addr;
addr = next;
} while (pgd++, addr != end);-----------------------------周遊區間位址，步長是PGDIR_SIZE，即2MB大小的空間。
}
這裡面有三個地方需要解釋：
pgd_offset_k
将虛拟位址進行轉換得到PMD的指針。
#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)
};
由虛拟記憶體布局圖中swapper_pg_dir可知，大小為16KB，裡面有詳細的解釋。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 - 1 < (end) - 1)? __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為21，是以一個PGD頁表目錄對應2MB大小的空間，即[addr, addr+PGDIR_SIZE)。是以PGD的數目為2^11，2028個。整個PGD頁表占用空間為2048*4B=8KB。
這和ARM硬體的4096 PGD不一緻。這裡涉及到Linux實作技巧，在建立PTE中進行分析。
是以此處按照2MB步長，周遊[virtual, virtual+length)空間建立PDG頁表和PTE。
alloc_init_pte
由于ARM-Linux采用兩級頁表映射，跳過PUD/PMD，直接到alloc_init_pte建立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,------------這裡的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作為參數，建立PGD頁表目錄,傳回addr對應的pte位址。
do {
set_pte_ext(pte, pfn_pte(pfn, __pgprot(type->prot_pte)), 0);---------調用體系結構相關彙編，配置PTE。
pfn++;
} while (pte++, addr += PAGE_SIZE, addr != end);-------------------------周遊[addr, end)區間記憶體，以PAGE_SIZE為步長。
}
下面看看如何配置設定PGD頁表目錄：
static pte_t * __init early_pte_alloc(pmd_t *pmd, unsigned long addr, unsigned long prot)
{
if (pmd_none(*pmd)) {---------------------------------------------------如果PGD的内容為空，即PTE還沒有建立，擇取建立頁面。
pte_t *pte = early_alloc(PTE_HWTABLE_OFF + PTE_HWTABLE_SIZE);-------配置設定512+512個PTE頁表項
__pmd_populate(pmd, __pa(pte), prot);-------------------------------生成pmd頁表目錄，并刷入RAM
}
BUG_ON(pmd_bad(*pmd));
return pte_offset_kernel(pmd, addr);------------------------------------傳回目前addr對應的PTE位址
}
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進行配置設定，這裡配置設定4096B，剛好是一頁大小。
memset(ptr, 0, sz);
return ptr;
}
是以存放PGD需要的空間通過memblock進行申請，PTE_HWTABLE_OFF和PTE_HWTABLE_SIZE都為512，是以一個1024個PTE。
下面是early_pte_alloc配置設定的空間示意圖：前面512個表項是給Linux OS使用的，後512個表項是給ARM硬體MMU用的。
Linux核心PGD/PTE映射關系
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));---------------------生成緊鄰的pmdp[1]的内容
#endif
flush_pmd_entry(pmdp);---------------------------------------------将pmdp兩個刷入到RAM中
}
Linux的PGD頁表目錄和ARM32不同，總數和ARM32是一樣的。
在arm_mm_memblock_reserve中，通過swapper_pg_dir可以知道其大小為16KB。
就來看看SWAPPER_PG_DIR_SIZE，一共2048個PGD，但是每個PGD包含了兩個相鄰的PGD頁面目錄項。
typedef pmdval_t pgd_t[2];---------------------------------------------8位元組
#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 設定PTE表項
要了解是如何設定PTE表項，就需要參照B3.3.1 Translation table entry formants中關于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位址的記憶體中
bic r3, r1, #0x000003f0--------------------------清除r1的bit[9:4]，存入r3
bic r3, r3, #PTE_TYPE_MASK-----------------------PTE_TYPE_MASK為0x03，記清除低2位
orr r3, r3, r2-----------------------------------r3與r2或，存入r3
orr r3, r3, #PTE_EXT_AP0 | 2---------------------這裡将bit1和bit4置位，是以是Small page。
tst r1, #1 << 4----------------------------------判斷r1的bit4是否為0
orrne r3, r3, #PTE_EXT_TEX(1)--------------------設定TEX為1
eor r1, r1, #L_PTE_DIRTY
tst r1, #L_PTE_RDONLY | L_PTE_DIRTY
orrne r3, r3, #PTE_EXT_APX-----------------------設定AP[2]
tst r1, #L_PTE_USER
orrne r3, r3, #PTE_EXT_AP1-----------------------設定AP[1]
tst r1, #L_PTE_XN
orrne r3, r3, #PTE_EXT_XN------------------------設定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]! )---------------------并沒有寫入r0，而是寫入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)
原文作者：ArnoldLu
原文位址：https://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/8087022.html（版權歸原文作者所有，侵權聯系删除）