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));
 ......

}

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

 ......
}

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。