内存管理篇-17解开页表的神秘面纱-下

1.页表初探遗留问题-页表的创建过程

• 使用MMU之前，页表要准备好，怎么准备的？如何把物理内存通过section映射构建页表
• 页表的创建过程分析：__create_page_tables--创建临时页表，然后在开启MMU
• • 页表的大小和用途
  • 页表在内存中的地址
  • 页表的创建过程
• 内核在上电的时候，MMU还没有开启，此时运行在物理内存（前期都是一些汇编指令，这些指令和相对地址无关）。C语言的函数都是编译链接成虚拟地址，所以需要尽快打开MMU（在汇编阶段）。然后，在开启MMU之前，页表需要准备好。
• 处理器工作在实地址模式（real address mode）或物理地址模式（physical address mode）。在这种模式下，所有的内存访问都是直接基于物理地址的，这意味着CPU直接将程序中的内存地址解释为物理内存中的地址。在Linux内核启动的早期阶段，它也运行在实地址模式下。在这个阶段，内核需要初始化MMU并设置页表，以便能够切换到保护模式（protected mode），此时MMU开始工作，可以支持虚拟内存。汇编语言或其他底层编程语言编写的代码可以直接操作物理地址，因为没有MMU来进行地址转换。一旦MMU被启用并且设置了适当的页表之后，操作系统就可以使用虚拟地址，这些地址会被MMU自动映射到物理地址。

2.构建section页表的示例

        背景：在特殊的场景下，配置的内核和用户是1：1，0x0 - 0x80000000-1是用户空间，0x80000000 - 0xffffffff是内核空间。并且dram上物理地址的起始是0x60000000 - xxxx。
        在Linux内核中，初始化阶段会使用一些特殊的页表条目来映射关键的内存区域。这些条目可能覆盖整个内存范围，或者特定的大块区域，例如内核映像本身和其他重要的内存段。例如，在x86架构上，Linux内核可能会使用一些特殊的宏和函数来设置这些大的映射。这通常发生在内核的初始化代码中，例如在arch/x86/kernel/head.S文件中，可以看到初始化MMU的相关代码。当MMU被完全启用后，内核会逐步细化这些大页映射，将其分解为更小的页表条目，以便提供更精细的内存管理控制。
（1）页表最开始一般放在（内核起始空间偏移0x4000）起始地址0x80000000偏移0x4000的这个地方。-原因是啥？0x80004000-0x80008000之间，大小是16KB。并且当前物理平台的物理地址是从0x60000000开始，虚拟地址是从0x80000000开始（内核配置了用户和内核地址比例为1:1）
（2）接下来我们需要把我们的代码段，数据段，bss段等区域的页表创建好，并且映射到物理内存。建立好页表之后才能开启MMU。

（3）早期的映射是采用section映射方式（一级页表映射），1M位单位进行映射。前面已经说到，1MB大页进行映射，4GB需要4096个一级页表的entry，每个entry占用4字节，一共16KB的大小。需要把这个内容存放在物理内存上。
（4）以一个虚拟地址为0x80108000虚拟地址为例，转成物理地址。首先去掉后20位（1MB大页映射，页内偏移为 1MB）得到index为0x801，接着去page table找到第0x801项entry，（此时page table也是在内存上的一部分空间，是按照字节编址，但是每个单位是4字节，因此第0x801项就是0x801*4字节=0x2004的物理地址所在的地方。） 找到对应的entry后，查看物理PFN为0x601，因为物理地址的编制是0x60000000，所以直接找到0x601 << 20 + 0x08000就得到物理地址了。

3.源码分析-将内核.text - .bss映射

（5）代码分析：D:\open_project\linux-5.10.84\linux-5.10.84\arch\arm\kernel\head.S汇编中的__create_page_tables函数就是进行准备页表的过程。

• 在上电后不久就直接调用了 bl __create_page_tables函数；/*在ARM架构中，pgtbl 是一个伪指令，用于生成特定的内存映射条目，通常用于初始化页表。这个伪指令在编译时被展开成一系列实际的机器码指令，用于设置页表条目的值。pgtbl 通常用于在内核初始化阶段设置页表，以便正确地配置内存映射。pgtbl 伪指令的功能是将第二个寄存器（在你的例子中是 r8）的内容复制到第一个寄存器（在你的例子中是 r4）中，并且在复制过程中可能会进行一些特定的处理，如清零某些位。*/

/** Setup the initial page tables.  We only setup the barest* amount which are required to get the kernel running, which* generally means mapping in the kernel code.** r8 = phys_offset, r9 = cpuid, r10 = procinfo** Returns:*  r0, r3, r5-r7 corrupted*  r4 = physical page table address*/
__create_page_tables:pgtbl	r4, r8				@ page table address R4保存了页表的物理起始地址
/*在ARM架构中，pgtbl 是一个伪指令，用于生成特定的内存映射条目，通常用于初始化页表。这个伪指令在编译时被展开成一系列实际的机器码指令，用于设置页表条目的值。pgtbl 通常用于在内核初始化阶段设置页表，以便正确地配置内存映射。pgtbl 伪指令的功能是将第二个寄存器（在你的例子中是 r8）的内容复制到第一个寄存器（在你的例子中是 r4）中，并且在复制过程中可能会进行一些特定的处理，如清零某些位。*//** Clear the swapper page table*/mov	r0, r4  			   @r0是内核页表的起始地址0x80004000mov	r3, #0				   @对16KB的临时页表进行清零r3 = 0add	r6, r0, #PG_DIR_SIZE   @内核页表的结束地址保存在r6里面 r6=0x80004000 + 16KB=0x80008000
1:	str	r3, [r0], #4str	r3, [r0], #4str	r3, [r0], #4str	r3, [r0], #4teq	r0, r6                @测试r0是否等于r6，清空这段空间bne	1b。。。。。。
。。。。。。/** Map our RAM from the start to the end of the kernel .bss section.* 将起始地址到bss段整个空间映射到物理内存上* (1)根据虚拟地址，找到页表中对应的entry* (2)然后是填充entry项，需要根据要映射的物理地址（这个物理地址是可以随便写，保证地址在真实的ddr空间即可），然后将物理地址右移20为，获取到section base addr，然后或上entry中后面的flags。base addr | flags; 此时就构成了完成的一个页表entry。最后，就是把所有的entry写到对应的内存上。*/add	r0, r4, #PAGE_OFFSET >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER) @r0保存了整个page table的起始地址，内核镜像的起始entryldr	r6, =(_end - 1)										@内核镜像末尾的虚拟地址orr	r3, r8, r7  @R3 = phys_offset | MMU flags,即0x600 | flags。r7保存了flags，前面设置了。r8是物理地址起始地址，拼凑entryadd	r6, r4, r6, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)		@end of kernek image page table. 内核镜像的结束entry/*@store命令，将页表项写到r0地址上，一开始就是第一个entry,0x8000000对应的section物理地址0x699填充到页表项中，r0=r0+4*/
1:	str	r3, [r0], #1 << PMD_ORDER	add	r3, r3, #1 << SECTION_SHIFTcmp	r0, r6bls	1b

这段ARM汇编代码主要负责在系统启动阶段，将内核的虚拟地址空间映射到物理内存中，具体涉及从内核的开始地址一直到.bss段结束的整个范围。下面是对每条指令的详细中文解释：

1. add r0, r4, #PAGE_OFFSET >> (SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

        这条指令计算出整个页表的起始地址，即将被映射的内核镜像的第一个页表项的地址。PAGE_OFFSET是一个常量，表示虚拟地址空间的偏移量，SECTION_SHIFT和PMD_ORDER是与页表层级和粒度相关的常量。通过这一计算，我们得到的是内核镜像在虚拟地址空间中的起始位置。

2. ldr r6, =(_end - 1)

        加载内核镜像的最后一个地址（即_end符号所指向的地址减一）到寄存器r6中。这代表内核镜像在虚拟地址空间中的结束位置。

3. orr r3, r8, r7 

        使用逻辑或运算符将物理地址（存储在r8中）与MMU标志位（存储在r7中）合并，并将结果存入r3。这里的r8包含了要映射的物理地址起始点，而r7则包含了一组标志位，这些标志位控制着对物理内存的访问权限。

4. add r6, r4, r6, lsr #(SECTION_SHIFT - PMD_ORDER)

        计算内核镜像在页表中的结束位置。通过将r6（内核镜像的虚拟地址结束位置）向右移位（lsr），并加上r4（页目录的基地址），得到内核镜像在页表中的最后一个条目的地址。

5. str r3, [r0], #1 << PMD_ORDER

        这是一条循环内的指令，用于将r3中的值（即包含物理地址和标志位的页表项）存储到由r0指向的地址处。#1 << PMD_ORDER是一个偏移量，用于在每次迭代后更新r0，使其指向下一个页表项的位置。这是在初始化页表时实际写入页表项的过程。

6. add r3, r3, #1 << SECTION_SHIFT

        增加r3中的物理地址值，准备下一次循环时使用。#1 << SECTION_SHIFT表示增加的大小，通常对应于一个section的大小，确保每次循环都能正确地映射到下一个section的物理地址。

7. cmp r0, r6

        比较r0（当前处理的页表项地址）和r6（页表的结束地址）。这是为了检查是否已经到达了页表的末尾。

8. bls 1b

        如果r0小于等于r6（即还没有达到页表的末尾），则跳转回标号1b继续执行循环。否则，循环结束，页表初始化完成。

        总体而言，这段代码的主要功能是设置页表，以确保内核的虚拟地址可以正确地映射到物理内存中，从而支持后续的操作系统运行。

（6）对等映射，要保证开启MMU前后能平滑过渡

        如何实现虚拟地址和物理地址相同？比如上面说到的，dram的物理起始是0x60000000，而内核虚拟地址是从0x80000000，此时内核镜像区所在的位置大概是0x80008000 - bss_end的区间，如果想要映射到相等的物理地址，只需要在section table中的物理页帧改成0x800即可。（因为整个页表的填充都是用户自己构建的，理论上想映射到哪里都行）。如果dram的地址是在0x60000000 - 0x70000000，此时应该如何处理呢？

这段代码的目的是创建一个对等映射（identity mapping），以便在启用MMU之前能够访问特定的内存区域。
对等映射是指虚拟地址和物理地址相同的映射关系，这对于某些关键代码段（例如用于启用MMU的代码）
来说非常重要，因为它确保这些代码段即使在MMU尚未完全初始化的情况下也能正确执行。/** Create identity mapping to cater for __enable_mmu.* This identity mapping will be removed by paging_init().*/adr	r0, __turn_mmu_on_locldmia	r0, {r3, r5, r6}sub	r0, r0, r3			@ virt->phys offsetadd	r5, r5, r0			@ phys __turn_mmu_onadd	r6, r6, r0			@ phys __turn_mmu_on_endmov	r5, r5, lsr #SECTION_SHIFTmov	r6, r6, lsr #SECTION_SHIFT