RISC-V Linux启动,经历了两次页表创建过程,第一次使用C函数setup_vm()
创建临时页表,第二次使用C函数setup_vm_final()
创建最终页表。
具体细节参考代码中的注释,下面的代码省略了一些不重要的部分。
asmlinkage void __init setup_vm(uintptr_t dtb_pa)
{
uintptr_t va, pa, end_va;
uintptr_t load_pa = (uintptr_t)(&_start);
uintptr_t load_sz = (uintptr_t)(&_end) - load_pa;
uintptr_t map_size;
//load_pa就是kernel加载的其实物理地址
//load_sz就是kernel的实际大小
//page_offset就是kernel的起始物理地址对应的虚拟地址,va_pa_offset是他们的偏移量
va_pa_offset = PAGE_OFFSET - load_pa;
//计算得到kernel起始物理地址的物理页,PFN_DOWN是将物理地址右移12位,因为sv39的物理地址的低12位是pa_offset,所以右移12位,得到pfn
pfn_base = PFN_DOWN(load_pa);
map_size = PMD_SIZE;//PMD_SIZE为2M,在当前,map_size只能为PGDIR_SIZE或PMD_SIZE。这时kernel默认不允许建立PTE。
//检查PAGE_OFFSET是否1G对齐,以及kernel入口地址是否2M对齐
BUG_ON((PAGE_OFFSET % PGDIR_SIZE) != 0);
BUG_ON((load_pa % map_size) != 0);
//allc_pte_early里面是BUG(),对于临时页表,kernel不允许我们建立PTE
pt_ops.alloc_pte = alloc_pte_early;
pt_ops.get_pte_virt = get_pte_virt_early;
#ifndef __PAGETABLE_PMD_FOLDED
pt_ops.alloc_pmd = alloc_pmd_early;
pt_ops.get_pmd_virt = get_pmd_virt_early;
#endif
/* 设置 early PGD for fixmap */
create_pgd_mapping(early_pg_dir, FIXADDR_START,
(uintptr_t)fixmap_pgd_next, PGDIR_SIZE, PAGE_TABLE);
/* 设置 fixmap PMD */
create_pmd_mapping(fixmap_pmd, FIXADDR_START,
(uintptr_t)fixmap_pte, PMD_SIZE, PAGE_TABLE);
/* 设置 trampoline PGD and PMD */
create_pgd_mapping(trampoline_pg_dir, PAGE_OFFSET,
(uintptr_t)trampoline_pmd, PGDIR_SIZE, PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(trampoline_pmd, PAGE_OFFSET,
load_pa, PMD_SIZE, PAGE_KERNEL_EXEC);
/*
* 设置覆盖整个内核的早期PGD,这将使我们能够达到paging_init()。
* 稍后在下面的 setup_vm_final() 中映射所有内存。
*/
end_va = PAGE_OFFSET + load_sz;
for (va = PAGE_OFFSET; va < end_va; va += map_size)
create_pgd_mapping(early_pg_dir, va,
load_pa + (va - PAGE_OFFSET),
map_size, PAGE_KERNEL_EXEC);
/* 为dtb创建早期的PMD */
create_pgd_mapping(early_pg_dir, DTB_EARLY_BASE_VA,
(uintptr_t)early_dtb_pmd, PGDIR_SIZE, PAGE_TABLE);
/* 为 FDT 早期扫描创建两个连续的 PMD 映射 */
pa = dtb_pa & ~(PMD_SIZE - 1);
create_pmd_mapping(early_dtb_pmd, DTB_EARLY_BASE_VA,
pa, PMD_SIZE, PAGE_KERNEL);
create_pmd_mapping(early_dtb_pmd, DTB_EARLY_BASE_VA + PMD_SIZE,
pa + PMD_SIZE, PMD_SIZE, PAGE_KERNEL);
dtb_early_va = (void *)DTB_EARLY_BASE_VA + (dtb_pa & (PMD_SIZE - 1));
......
}
setup_vm()在最开始就进行了kernel入口地址的对齐检查,要求入口地址2M对齐。假设内存起始地址为0x80000000,那么kernel只能放在0x80000000、0x80200000等2M对齐处。为什么会有这种对齐要求呢?
我猜测单纯是为给opensbi预留了2M空间,因为kernel之前还有opensbi,而opensbi运行完之后,默认跳转地址就是偏移2M,kernel只是为了跟opensbi对应,所以设置了2M对齐。
那opensbi需要占用2M这么大?实际上只需要几百KB,因此opensbi和kernel中间有一段内存是空闲的,没有人使用。这个问题我们下篇再讲。
在该函数中开始为整个物理内存做内存映射,通过swapper
页表来管理,并且清除掉汇编阶段的页表。
static void __init setup_vm_final(void)
{
uintptr_t va, map_size;
phys_addr_t pa, start, end;
u64 i;
/**
* 此时MMU已经开启,但是页表还没完全建立。
*/
pt_ops.alloc_pte = alloc_pte_fixmap;
pt_ops.get_pte_virt = get_pte_virt_fixmap;
#ifndef __PAGETABLE_PMD_FOLDED
pt_ops.alloc_pmd = alloc_pmd_fixmap;
pt_ops.get_pmd_virt = get_pmd_virt_fixmap;
#endif
/* Setup swapper PGD for fixmap */
create_pgd_mapping(swapper_pg_dir, FIXADDR_START,
__pa_symbol(fixmap_pgd_next),
PGDIR_SIZE, PAGE_TABLE);
/* 为整个物理内存创建页表 */
for_each_mem_range(i, &start, &end) {
if (start >= end)
break;
if (start <= __pa(PAGE_OFFSET) &&
__pa(PAGE_OFFSET) < end)
start = __pa(PAGE_OFFSET);
//best_map_size是选择合适的映射大小,kernel入口地址2M对齐或者kernel大小能被2M整除时,map_size就是2M,否则就是4K。
map_size = best_map_size(start, end - start);
for (pa = start; pa < end; pa += map_size) {
va = (uintptr_t)__va(pa);
create_pgd_mapping(swapper_pg_dir, va, pa,
map_size, PAGE_KERNEL_EXEC);
}
}
/* 清除fixmap的PMD和PTE */
clear_fixmap(FIX_PTE);
clear_fixmap(FIX_PMD);
/* 切换到swapper页表,这个是最终的页表,汇编阶段relocate开启MMU的操作,跟下面这句是一样的。 */
csr_write(CSR_SATP, PFN_DOWN(__pa_symbol(swapper_pg_dir)) | SATP_MODE);
local_flush_tlb_all();//刷新TLB
......
}
说明:
在setup_vm_final()函数中,通过swapper_pg_dir
页表来管理整个物理内存的访问。并且清除汇编阶段的页表fixmap_pte和early_pg_dir。(本质上就是把该页表项的内容清0,即赋值为0)
最终把swapper_pg_dir
页表的物理地址赋值给SATP
寄存器。这样CPU就可以通过该页表访问整个物理内存。
切换页表通过如下实现:
csr_write(CSR_SATP,PFN_DOWN(_pa(swapper_pg_dir))|SATP_MODE);
在swapper_pg_dir管理的kernel space中,其虚拟地址与物理地址空间的偏移是固定的,为va_pa_offset
(定义在arch/riscv/mm/init.c中的一个全局变量)
注意:swapper_pg_dir管理的是kernel space的页表,即它把物理内存映射到的虚拟地址空间是只能kernel访问的。user space不能访问,用户空间如果访问,必须自行建立页表,把物理地址映射到user space的虚拟地址空间。kernel线程共享这个swapper_pg_dir页表。
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