【原创】(三)Linux paging_init解析

转载 LoyenWang 2019/9/8 21:18:06

背景y鲁迅y高尔基说明:版本:处理器,,双核使用工具:,介绍从中,可知在调用之前,存放和

背景

  • Read the fucking source code! --By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高尔基

说明:

  1. Kernel版本:4.14
  2. ARM64处理器,Contex-A53,双核
  3. 使用工具:Source Insight 3.5, Visio

1. 介绍

(二)Linux物理内存初始化中,可知在paging_init调用之前,存放Kernel ImageDTB的两段物理内存区域可以访问了(相应的页表已经建立好)。尽管物理内存已经通过memblock_add添加进系统,但是这部分的物理内存到虚拟内存的映射还没有建立,可以通过memblock_alloc分配一段物理内存,但是还不能访问,一切还需要等待paging_init的执行。最终页表建立好后,可以通过虚拟地址去访问最终的物理地址了。

按照惯例,先上图,来一张ARM64内核的内存布局图片吧,最终的布局如下所示:

开启探索之旅吧!

2. paging_init

paging_init源代码短小精悍,直接贴上来,分模块来介绍吧。

/*
 * paging_init() sets up the page tables, initialises the zone memory
 * maps and sets up the zero page.
 */
void __init paging_init(void)
{
    phys_addr_t pgd_phys = early_pgtable_alloc();   /********(mark 1)*******/
    pgd_t *pgd = pgd_set_fixmap(pgd_phys);

    map_kernel(pgd);                                        /********(mark 2)*******/
    map_mem(pgd);                                         /********(mark 3)*******/

    /*
     * We want to reuse the original swapper_pg_dir so we don't have to
     * communicate the new address to non-coherent secondaries in
     * secondary_entry, and so cpu_switch_mm can generate the address with
     * adrp+add rather than a load from some global variable.
     *
     * To do this we need to go via a temporary pgd.
     */
    cpu_replace_ttbr1(__va(pgd_phys));                 /********(mark 4)*******/
    memcpy(swapper_pg_dir, pgd, PGD_SIZE);
    cpu_replace_ttbr1(lm_alias(swapper_pg_dir));

    pgd_clear_fixmap();
    memblock_free(pgd_phys, PAGE_SIZE);

    /*
     * We only reuse the PGD from the swapper_pg_dir, not the pud + pmd
     * allocated with it.
     */
    memblock_free(__pa_symbol(swapper_pg_dir) + PAGE_SIZE,
              SWAPPER_DIR_SIZE - PAGE_SIZE);
}
  • mark 1:分配一页大小的物理内存存放pgd
  • mark 2:将内核的各个段进行映射;
  • mark 3:将memblock子系统添加的物理内存进行映射;
  • mark 4:切换页表,并将新建立的页表内容替换swappper_pg_dir页表内容;

代码看起来费劲?图来了:

下边将对各个子模块进一步的分析。

3. early_pgtable_alloc

这个模块与FIX MAP映射区域相关,建议先阅读前文(二)Linux物理内存初始化
先上图:

FIX MAP的区域划分从图中可以看出来
本函数会先分配物理内存,然后借用之前的全局页表bm_pte,建立物理地址到虚拟地址的映射,这次映射的作用是为了去访问物理内存,把内存清零,所以它只是一个临时操作,操作完毕后,会调用pte_clear_fixmap()来清除映射。

early_pgtable_alloc之后,我们看到paging_init调用了pgd_set_fixmap函数,这个函数调用完后,通过memblock_alloc分配的物理内存,最终就会用来存放pgd table了,这片区域的内容最后也会拷贝到swapper_pg_dir中去。

4. map_kernel

map_kernel的主要工作是完成内核中各个段的映射,此外还包括了FIXADDR_START虚拟地址的映射,如下图:

映射完成之后,可以看一下具体各个段的区域,以我自己使用的平台为例:

这些地址信息也能从System.map文件中找到。

aarch64-linux-gnu-objdump -x vmlinux能查看更详细的地址信息。

5. map_mem

从函数名字中可以看出,map_mem主要完成的是物理内存的映射,这部分的物理内存是通过memblock_add添加到系统中的,当对应的memblock设置了MEMBLOCK_NOMAP的标志时,则不对其进行地址映射。
map_mem函数中,会遍历memblock中的各个块,然后调用__map_memblock来完成实际的映射操作。先来一张效果图:

map_mem都是将物理地址映射到线性区域中,我们也发现了Kernel Image中的text, rodata段映射了两次,原因是其他的子系统,比如hibernate,会映射到线性区域中,可能需要线性区域的地址来引用内核的text, rodata,映射的时候也会限制成了只读/不可执行,防止意外修改或执行。

map_kernelmap_mem函数中的页表映射,最终都是调用__create_pgd_mapping函数实现的:

总体来说,就是逐级页表建立映射关系,同时中间会进行权限的控制等。
细节不再赘述,代码结合图片阅读,效果会更佳噢。

6. 页表替换及内存释放

这部分代码不多,不上图了,看代码吧:

    /*
     * We want to reuse the original swapper_pg_dir so we don't have to
     * communicate the new address to non-coherent secondaries in
     * secondary_entry, and so cpu_switch_mm can generate the address with
     * adrp+add rather than a load from some global variable.
     *
     * To do this we need to go via a temporary pgd.
     */
    cpu_replace_ttbr1(__va(pgd_phys));
    memcpy(swapper_pg_dir, pgd, PGD_SIZE);
    cpu_replace_ttbr1(lm_alias(swapper_pg_dir));

    pgd_clear_fixmap();
    memblock_free(pgd_phys, PAGE_SIZE);

    /*
     * We only reuse the PGD from the swapper_pg_dir, not the pud + pmd
     * allocated with it.
     */
    memblock_free(__pa_symbol(swapper_pg_dir) + PAGE_SIZE,
              SWAPPER_DIR_SIZE - PAGE_SIZE);

简单来说,将新建立好的pgd页表内容,拷贝到swapper_pg_dir中,也就是覆盖掉之前的临时页表了。当拷贝完成后,显而易见的是,我们可以把paging_init一开始分配的物理内存给释放掉。
此外,在之前的文章也分析过swapper_pg_dir页表存放的时候,是连续存放的pgd, pud, pmd等,现在只需要复用swapper_pg_dir,其余的当然也是可以释放的了。

好了,点到为止,前路漫漫,离Buddy System,Slab,Malloc以及各种内存的骚操作好像还有很远的样子,待续吧。

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