Linux内核源码分析之setup_arch (三)

1. 前言

在 Linux内核源码分析之setup_arch (二) 中介绍了当前启动阶段的内存分配函数memblock_alloc，该内存分配函数在本篇将要介绍paging_init中用于页表和内存的分配，paging_init函数大致流程如下图所示。

2. paging_init

2.1 build_mem_type_table

该函数根据具体的CPU架构对静态定义的mem_types数组中定义的属性进行调整。

2.2 prepare_page_table

该函数的作用是把页目录项清零，源码大致如下。首先是把虚拟地址范围[0, MODULES_VADDR]的页目录项清零，如果内核是模块区域以XIP方式运行的，则跳过内核部分的页目录，然后继续对区域[addr,PAGE_OFFSET]的页目录项清零，此时用户空间的页目录项已经全部清零；最后，把除了第一块内存条之外的内核空间[__phys_to_virt(end), VMALLOC_START]对应的页目录项清零。

/* arch/arm/mm/mmu.c */
static inline void prepare_page_table(void)
{
unsigned long addr;
phys_addr_t end;
/* <--(1)--> */
for (addr = 0; addr < MODULES_VADDR; addr += PMD_SIZE)
pmd_clear(pmd_off_k(addr));

#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL
addr = ((unsigned long)_etext + PMD_SIZE - 1) & PMD_MASK;
#endif
/* <--(2)--> */
for ( ; addr < PAGE_OFFSET; addr += PMD_SIZE)
pmd_clear(pmd_off_k(addr));

end = memblock.memory.regions[0].base + memblock.memory.regions[0].size;
if (end >= lowmem_limit)
end = lowmem_limit;
/* <--(3)--> */
for (addr = __phys_to_virt(end);
addr < VMALLOC_START; addr += PMD_SIZE)
pmd_clear(pmd_off_k(addr));
}

2.3 map_lowmem

该函数将物理内存地址小于lowmem_limit的内存映射到内核空间，实际的内存映射工作在create_mapping中完成。

/* arch/arm/mm/mmu.c */
static void __init map_lowmem(void)
{
...
for_each_memblock(memory, reg) {
start = reg->base;
end = start + reg->size;

if (end > lowmem_limit)
end = lowmem_limit;
if (start >= end)
break;

map.pfn = __phys_to_pfn(start);
map.virtual = __phys_to_virt(start);
map.length = end - start;
map.type = MT_MEMORY;

create_mapping(&map, false);
}
}

create_mapping函数的大致流程如下图所示，这里需要提一下，linux内核使用的是四级页表，即PGD、PUD、PMD、PTE；而ARM32使用的是二级页表，即PMD、PTE。同时由于内存管理是以页为单位进行的，如果按照ARM硬件MMU的分页机制，一个PMD对应的PTE并不能完全占用完整个页，为了避免内存浪费，会在软件层面上将两个PMD对应的PTE放在一个页内，具体细节可以参考文件arch/arm/include/asm/pgtable-2level.h中的注释部分。最终会调用alloc_init_pte函数对指定范围的内存区域进行映射，其中的early_pte_alloc函数最终也会去调用 Linux内核源码分析之setup_arch (二) 中介绍的memblock_alloc函数来分配内存，最后将PTE所在页写入到PMD中即可完成映射。

/* arch/arm/mm/mmu.c */
static void __init alloc_init_pte(...)
{
pte_t *start_pte = early_pte_alloc(pmd);
pte_t *pte = start_pte + pte_index(addr);

do {
set_pte_ext(pte, pfn_pte(pfn, __pgprot(type->prot_pte)), 0);
pfn++;
} while (pte++, addr += PAGE_SIZE, addr != end);
early_pte_install(pmd, start_pte, type->prot_l1);
}

2.4 devicemaps_init

该函数大致流程如下图所示，首先调用early_alloc分配一个页，然后调用early_trap_init将向量表复制到新的页内，最后调用create_mapping将这个页映射到0xffff0000处，如果mdesc->map_io存在，还会对设备相关的IO进行映射。

2.5 kmap_init

这个函数非常简单，把大小为2MB的区间[PKMAP_BASE，PAGE_OFFSET]映射到内核空间。

/* arch/arm/mm/mmu.c */
static void __init kmap_init(void)
{
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
pkmap_page_table = early_pte_alloc_and_install(pmd_off_k(PKMAP_BASE),
PKMAP_BASE, _PAGE_KERNEL_TABLE);
#endif
}

3. 总结

本文主要介绍了内核启动阶段页表初始化部分的内容，其中，build_mem_type_table负责根据不同CPU架构对mem_types进行调整，prepare_page_table负责将待初始化区域的页目录项清零，然后通过map_lowmem建立低端内存区域的页表映射，最后调用devicemaps_init建立对向量表和设备IO的映射。至此，除了bootmem_init函数没有分析之外，paging_init基本算是分析完了，bootmem_init的分析将在下一篇中给出。