【LM05】paging_init()以及内存的布局

硬核技术 Linux内核 Linux_5_0 ARMv8_64 Linux内存管理

 2023/02/12 

在前面笔记【LM04】Memblock及源码分析中，我提到到目前为止，完成VA->PA映射的内存空间有内核和FDT/DTS，其它添加和没有添加入memblock的内存空间并没有完成VA->PA的映射。接下来的映射工作将全部交给paging_init()来完成，这篇笔记也主要围绕这个函数展开。同时，我将简单分析下该函数完成后的内存布局。

memblock管理的内存空间

我们再次回到setup_arch()函数，看看在完成FIXMAP的映射后，还会进行什么其它的映射。

// ./arch/arm64/kernel/setup.c

void __init setup_arch(char **cmdline_p)
{
    init_mm.start_code = (unsigned long) _text;
    init_mm.end_code   = (unsigned long) _etext;
    init_mm.end_data   = (unsigned long) _edata;
    init_mm.brk        = (unsigned long) _end;
    
    *cmdline_p = boot_command_line;
    
    early_fixmap_init();
    early_ioremap_init();
    
    setup_machine_fdt(__fdt_pointer);
    
    ...
    ...
    
    xen_early_init();
    efi_init();
    arm64_memblock_init();
    
    paging_init();

arm64_memblock_init()

这个函数从名字上就可以知道是干什么的，初始化arm64中的memblock。在setup_machine_fdt()函数中，我们已经将DTS中读取的信息存入memblock中。在这个函数中，更多的内存空间会被添加入memblock中的memory和reserved区域。

在完成这一系列工作后，我们就要开始调用paging_init()来完成相关的映射工作了。

paging_init()

这个函数比较简单，主要工作就是完成内核和memblock中内存的VA->PA映射。同时，将init_mm.pgd替换成swapper_pg_dir。

// ./arch/arm64/mm/mmu.c

/*
 * paging_init() sets up the page tables, initialises the zone memory
 * maps and sets up the zero page.
 */
void __init paging_init(void)
{
      // ----------------------------------------------------------- (1)
      pgd_t *pgdp = pgd_set_fixmap(__pa_symbol(swapper_pg_dir));

      // ----------------------------------------------------------- (2)
      map_kernel(pgdp);
      
      // ----------------------------------------------------------- (3)
      // static void __init __map_memblock(pgd_t *pgdp, phys_addr_t start,
      //                   phys_addr_t end, pgprot_t prot, int flags)
      // {
      //     __create_pgd_mapping(pgdp, start, __phys_to_virt(start), end - start,
      //                  prot, early_pgtable_alloc, flags);
      // }
      map_mem(pgdp);

      // ----------------------------------------------------------- (4)
      pgd_clear_fixmap();
      cpu_replace_ttbr1(lm_alias(swapper_pg_dir));
      init_mm.pgd = swapper_pg_dir;
      memblock_free(__pa_symbol(init_pg_dir), __pa_symbol(init_pg_end) - __pa_symbol(init_pg_dir));
      memblock_allow_resize();
}

(1) 将FIX_PGD与swapper_pg_dir进行映射；
(2) 重新将内核进行映射，这次映射到swapper_pg_dir(之前映射到init_pg_dir) - 在Linux 4.20之前是没有init_pg_dir的，Linux 4.20之后才用它作为启动时的内核页表；
(3) 将memblock中memory区域的内存空间都进行映射，这里会使用memblock来进行页表物理内存的分配（early_pgtable_alloc()函数）；
(4)
a) 清除FIX_PGD的临时映射；
b) 重新设置TTBR1；
c) 更新init_mm.pgd；
d) 释放init_pg在memblock占用的内存空间；
e) 允许memblock扩容。

内存的布局

至此，内核空间的内存都映射完成。这里我借用下大神LoyenWang的图和我自己实验平台的图，

这是我的实验平台的内存布局图，

从图中，我们可以看到，在内核空间，PAGE_OFFSET以上都是线性区域。在这个区域，物理内存和虚拟内存按照PAGE_OFFSET的偏移进行映射。PAGE_OFFSET以下区域，分别映射了vmemmap, PCI/IO, FIXMAP, vmalloc以及内核和modules。PAGE_OFFSET在 arch/arm64/include/asm/memory.h中进行了定义，查看文件获取更多信息。
在这篇笔记【LM03】FIXMAP和相关页表的创建中我已经介绍了这个布局了，这里就不做过多解释了。

参考资料

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4. 参考资料