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RISC-V Linux啟動之頁表創建分析

發布時間：2024-03-09 00:58:04 作者：網友整理

上篇分析了RISC-V Linux的匯編啟動過程，其中講到了relocate重定向需要開啟MMU，今天分析RISC-V Linux的頁表創建。

注意：本文基于linux5.10.111內核

sv39 mmu

RISC-V Linux支持sv32、sv39、sv48等虛擬地址格式，分別代表32為虛擬地址、38位虛擬地址和48位虛擬地址。RISC-V Linux默認也是使用sv39格式，sv39的虛擬地址、物理地址、PTE格式如下：

虛擬地址格式：

物理地址格式：

PTE格式：

虛擬地址使用39位表示，其中低12位代表page offset，高位劃分為了三部分：VP N[0]、VP N[1]和VP N[2]，分別代表虛擬地址VA在PTE、PMD和PGD中的索引。

物理地址使用56位表示，低12位代表page offset，高位是物理頁PPN[0]、PPN[1]和PPN[2]

PTE保存了物理頁PPN[0]、PPN[1]和PPN[2]，和物理地址中的PPN相對應；PTE的低10位代表物理地址的訪問權限，當RWX全為0時，則代表該PTE存儲的地址是下一級頁表的物理地址，否則代表當前頁表是最后一級頁表。

再看看sv39 的頁表格式，sv39使用的是三級頁表，PGD、PMD和PTE，每一個級頁表使用9bit表示，即每一級頁表都有512個頁表項。

在代碼中，創建一個有512個元素的數組即代表一個頁表。一個PTE有512個頁表項，每一個頁表項占用8字節，512*8=4096字節，所以一個PTE代表4K。一個PMD也是512個頁表項，每一項可代表一個PTE，512 *4 K=2M，所以一個PMD就代表2M。以此類推，一個PGD代表512 * 2M=1G。

重要結論：PGD代表1G、PMD代表2M、PTE代表4K。sv39默認的頁大小是4K。

三級頁表虛擬地址轉為物理地址過程示意圖：

sv39三級頁表虛擬地址轉為物理地址過程：

MMU通過satp寄存器得到PGD的物理地址，結合PGD index（即V PN[2]）找到PMD；找到PMD后，再結合PMD index（即V PN[1]）找到PTE，然后結合PTE index（即V PN[0]）得到VA在PTE索引中的值，從而得到物理地址。

最后在PTE中取出PPN[2]、PPN[1]和PPN[0],再和虛擬地址的低12位offset相加，得到最終的物理地址。

臨時頁表分析

MMU開啟前，需要建立好kernel、dtb、trampoline等頁表。以便MMU開啟后，并且在內存管理模塊運行之前，kernel可以正常初始化，dtb可以正常地被解析。這部分頁表都是臨時頁表，最終的頁表在setup_vm_final()建立。

臨時頁表創建順序：

首先為fixmap創建早期的PGD、PMD，這時PGD使用early_pg_dir。然后對從kernel開始的前2M內存建立二級頁表，此時PGD使用trampoline_pg_dir，為這2M建立的頁表也叫作superpage。再然后，對整個kernel創建二級頁表，此時PGD使用early_pg_dir。最后為dtb預留4M大小創建二級頁表。

頁表創建函數

create_pgd_mapping()

void __init create_pgd_mapping(pgd_t *pgdp,
          uintptr_t va, phys_addr_t pa,
          phys_addr_t sz, pgprot_t prot)

登錄后復制

pgdp：PGD頁表

va：虛擬地址

pa：物理地址

sz：映射大小，PGDIR_SIZE或PMD_SIZE或PTE_SIZE

prot：PAGE_KERNEL_EXEC/PAGE_KERNEL表示當前是最后一級頁表，否則pa代表下一級頁表的物理地址

create_pmd_mapping()

static void __init create_pmd_mapping(pmd_t *pmdp,
          uintptr_t va, phys_addr_t pa,
          phys_addr_t sz, pgprot_t prot)

登錄后復制

pmdp：PMD頁表

va：虛擬地址

pa：物理地址

sz：映射大小，PMD_SIZE或PAGE_SIZE

prot：權限，PAGE_KERNEL_EXEC/PAGE_KERNEL表示當前是最后一級頁表，否則pa代表下一級頁表的物理地址

create_pte_mapping()

static void __init create_pte_mapping(pte_t *ptep,
          uintptr_t va, phys_addr_t pa,
          phys_addr_t sz, pgprot_t prot)

登錄后復制

ptep：PTE頁表

va：虛擬地址

pa：物理地址

sz：映射大小，PAGE_SIZE

prot：權限，PAGE_KERNEL_EXEC/PAGE_KERNEL表示當前是最后一級頁表，否則pa代表下一級頁表的物理地址

使用舉例

例如，將虛擬地址PAGE_OFFSET映射到物理地址pa，映射大小為4K，創建三級頁表PGD、PMD和PTE：

create_pgd_mapping(early_pg_dir，PAGE_OFFSET，
                   (uintptr_t)early_pmd，PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(early_pmd，PAGE_OFFSET，
                   (uintptr_t)early_pte，PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pte_mapping(early_pte，PAGE_OFFSET，
                   (uintptr_t)pa，PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);

登錄后復制

這樣創建后，MMU就會根據PAGE_OFFSET在PGD中找到PMD，然后再PMD中找到PTE，最后取出物理地址。

頁表創建源碼分析

RISC-V Linux啟動，經歷了兩次頁表創建過程，第一次使用C函數setup_vm()創建臨時頁表，第二次使用C函數setup_vm_final()創建最終頁表。

具體細節參考代碼中的注釋，下面的代碼省略了一些不重要的部分。

setup_vm()

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加載的其實物理地址
    //load_sz就是kernel的實際大小

    //page_offset就是kernel的起始物理地址對應的虛擬地址，va_pa_offset是他們的偏移量
 va_pa_offset = PAGE_OFFSET - load_pa;
    
    //計算得到kernel起始物理地址的物理頁，PFN_DOWN是將物理地址右移12位，因為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為2M，在當前，map_size只能為PGDIR_SIZE或PMD_SIZE。這時kernel默認不允許建立PTE。

 //檢查PAGE_OFFSET是否1G對齊，以及kernel入口地址是否2M對齊
 BUG_ON((PAGE_OFFSET % PGDIR_SIZE) != 0);
 BUG_ON((load_pa % map_size) != 0);

    //allc_pte_early里面是BUG(),對于臨時頁表，kernel不允許我們建立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
 /* 設置 early PGD for fixmap */
 create_pgd_mapping(early_pg_dir, FIXADDR_START,
      (uintptr_t)fixmap_pgd_next, PGDIR_SIZE, PAGE_TABLE);


 /* 設置 fixmap PMD */
 create_pmd_mapping(fixmap_pmd, FIXADDR_START,
      (uintptr_t)fixmap_pte, PMD_SIZE, PAGE_TABLE);
 /* 設置 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);

 /*
  * 設置覆蓋整個內核的早期PGD，這將使我們能夠達到paging_init（）。
  * 稍后在下面的 setup_vm_final（） 中映射所有內存。
  */
 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);

 /* 為dtb創建早期的PMD */
 create_pgd_mapping(early_pg_dir, DTB_EARLY_BASE_VA,
      (uintptr_t)early_dtb_pmd, PGDIR_SIZE, PAGE_TABLE);
 /* 為 FDT 早期掃描創建兩個連續的 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));
 ......

}

登錄后復制

setup_vm()在最開始就進行了kernel入口地址的對齊檢查，要求入口地址2M對齊。假設內存起始地址為0x80000000，那么kernel只能放在0x80000000、0x80200000等2M對齊處。為什么會有這種對齊要求呢？

我猜測單純是為給opensbi預留了2M空間，因為kernel之前還有opensbi，而opensbi運行完之后，默認跳轉地址就是偏移2M，kernel只是為了跟opensbi對應，所以設置了2M對齊。

那opensbi需要占用2M這么大？實際上只需要幾百KB，因此opensbi和kernel中間有一段內存是空閑的，沒有人使用。這個問題我們下篇再講。

setup_vm_final()

在該函數中開始為整個物理內存做內存映射，通過swapper頁表來管理，并且清除掉匯編階段的頁表。

static void __init setup_vm_final(void)
{
 uintptr_t va, map_size;
 phys_addr_t pa, start, end;
 u64 i;

 /**
  * 此時MMU已經開啟，但是頁表還沒完全建立。
  */
 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);

 /* 為整個物理內存創建頁表 */
 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是選擇合適的映射大小，kernel入口地址2M對齊或者kernel大小能被2M整除時，map_size就是2M，否則就是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);

 /* 切換到swapper頁表，這個是最終的頁表，匯編階段relocate開啟MMU的操作，跟下面這句是一樣的。 */
 csr_write(CSR_SATP, PFN_DOWN(__pa_symbol(swapper_pg_dir)) | SATP_MODE);
 local_flush_tlb_all();//刷新TLB

 ......
}

登錄后復制

說明：

在setup_vm_final()函數中，通過swapper_pg_dir頁表來管理整個物理內存的訪問。并且清除匯編階段的頁表fixmap_pte和early_pg_dir。（本質上就是把該頁表項的內容清0，即賦值為0）

最終把swapper_pg_dir頁表的物理地址賦值給SATP寄存器。這樣CPU就可以通過該頁表訪問整個物理內存。

切換頁表通過如下實現：

csr_write(CSR_SATP,PFN_DOWN(_pa(swapper_pg_dir))|SATP_MODE);

在swapper_pg_dir管理的kernel space中，其虛擬地址與物理地址空間的偏移是固定的，為va_pa_offset（定義在arch/riscv/mm/init.c中的一個全局變量）

注意：swapper_pg_dir管理的是kernel space的頁表，即它把物理內存映射到的虛擬地址空間是只能kernel訪問的。user space不能訪問，用戶空間如果訪問，必須自行建立頁表，把物理地址映射到user space的虛擬地址空間。kernel線程共享這個swapper_pg_dir頁表。

總結

RISC-V Linux啟動時的頁表創建相對來說還是比較容易理解的，都是C語言創建的，代碼也比較少。主要就是setup_vm()和setup_vm_final()兩個頁表創建函數。理解了sv39的一些地址格式后，再去分析源碼就比較容易。不過不同kernel版本代碼都不一樣，需要具體情況具體分析。

本篇提到了setup_vm()會檢查kernel入口地址是否2M對齊，如果不對齊kernel無法啟動，但其實我們可以解除這個2M對齊限制，將這部分空間利用起來，下篇教大家優化這部分內存。

以上就是RISC-V Linux啟動之頁表創建分析的詳細內容，更多請關注www.92cms.cn其它相關文章！

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標簽：Linux RISC 分析 創建 啟動
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