1 ARMv8存储管理

1.1 Aarch64 Linux中的内存布局

ARMv8架构可以支持48位虚拟地址，并配置成4级页表（4K页），或者3级页表（64K页）。而本Linux系统只使用39位虚拟地址（512G内核，512G用户），配置成3级页表（4K页）或者2级页表（64K页）

用户空间的地址63:39位都置零，内核空间地址63:39都置一，虚拟地址的第63位可以用来选择TTBRx。swapper_pg_dir只包含内核全局映射，用户的pgd包含用户（非全局）映射。swapper_pg_dir地址在TTBR1中，不会写入TTBR0中。

AArch64Linux内存布局：

Start End Size Use

--------------------------------------------------------------------------------------------------

0000000000000000 0000007fffffffff 512GB user

ffffff8000000000 ffffffbbfffcffff ~240GB vmalloc

ffffffbbfffd0000 ffffffbcfffdffff 64KB [guardpage]

ffffffbbfffe0000 ffffffbcfffeffff 64KB PCII/O space

ffffffbbffff0000 ffffffbcffffffff 64KB [guard page]

ffffffbc00000000 ffffffbdffffffff 8GB vmemmap

ffffffbe00000000 ffffffbffbffffff ~8GB [guard,future vmmemap]

ffffffbffc000000 ffffffbfffffffff 64MB modules

ffffffc000000000 ffffffffffffffff 256GB memory

1.2 AArch64的虚拟地址格式

1.2.1 4K页时的虚拟地址

1.2.2 64K页时的虚拟地址

2 head.S页表建立过程分析

2.1 页表建立函数__create_page_tables

该函数用于在内核启动时，为FDT（设备树）、内核镜像创建启动所必须的页表。等内核正常运行后，还需运行create_mapping为所有的物理内存创建页表，这将覆盖__create_page_tables所创建的页表。

内核开始运行时创建页表源文件：arm64/kernel/head.Sline345

/*

* Setup the initial page tables. We only setup the barest amount which is

* required to get the kernel running. The following sections are required:

* -identity mapping to enable the MMU (low address, TTBR0)

* -first few MB of the kernel linear mapping to jump to once the MMU has

* been enabled, including the FDT blob (TTBR1)

*/

__create_page_tables:

pgtbl x25, x26,x24 //idmap_pg_dir and swapper_pg_dir addresses

/*

* 清空新建的两个页表TTBR0，TTBR1

*/

mov x0,x25

add x6,x26, #SWAPPER_DIR_SIZE

1: stp xzr,xzr, [x0], #16

stp xzr,xzr, [x0], #16

stp xzr,xzr, [x0], #16

stp xzr,xzr, [x0], #16

cmp x0,x6

b.lo 1b

ldr x7,=MM_MMUFLAGS

/*

* Create the identity mapping.

*/

add x0, x25,#PAGE_SIZE // sectiontable address

adr x3, __turn_mmu_on // virtual/physical address

create_pgd_entry x25, x0, x3, x5, x6 //展开见1.1.3

create_block_map x0, x7, x3, x5, x5, idmap=1

/*

* Map the kernel image (starting withPHYS_OFFSET).

*/

add x0,x26, #PAGE_SIZE //section table address

mov x5,#PAGE_OFFSET

create_pgd_entry x26, x0, x5, x3, x6

ldr x6,=KERNEL_END - 1

mov x3,x24 // physoffset

create_block_map x0, x7, x3, x5, x6

/*

* Map the FDT blob (maximum 2MB; must bewithin 512MB of

* PHYS_OFFSET).

*/

mov x3,x21 // FDTphys address

and x3,x3, #~((1 << 21) - 1) // 2MBaligned

mov x6,#PAGE_OFFSET

sub x5,x3, x24 //subtract PHYS_OFFSET

tst x5,#~((1 << 29) - 1) //within 512MB?

csel x21,xzr, x21, ne // zero the FDTpointer

b.ne 1f

add x5,x5, x6 // __va(FDTblob)

add x6,x5, #1 << 21 // 2MB forthe FDT blob

sub x6,x6, #1 //inclusive range

create_block_map x0, x7, x3, x5, x6

1:

ret

ENDPROC(__create_page_tables)

2.1.1 pgtbl x25, x26, x24分析

pgtbl是个宏，定义如下：

arm64/kernel/head.S line55

.macro pgtbl,ttb0, ttb1, phys

add ttb1,phys, #TEXT_OFFSET - SWAPPER_DIR_SIZE

sub ttb0,ttb1, #IDMAP_DIR_SIZE

.endm

pgtbl x25,x26, x24 //展开后如下

add x26,x24, #TEXT_OFFSET -SWAPPER_DIR_SIZE

sub x25,x26，#IDMAP_DIR_SIZE

其中各变量定义如下：

#defineSWAPPER_DIR_SIZE (3 * PAGE_SIZE)

#defineIDMAP_DIR_SIZE (2 *PAGE_SIZE)

说明：

1、关于TTBR0、TTBR1的介绍见ARM ARM 手册的Page B4-1708

2、x25中存TTBR0（TTBR0 holds the base address of translation table 0）的地址；

3、X26存TTBR1（TTBR1 holds the base address of translation table 1）地址；

4、X24 存PHYS_OFFSET，/* PHYS_OFFSET- the physical address of the start of memory. */

#definePHYS_OFFSET ({ memstart_addr; })

5、TEXT_OFFSET是Bootloader启动时传进来的参数，是内核Image加载时相对于RAM起始地址的偏移量

6、PAGE_OFFSEST：the virtual address of the start of the kernel image.

图1 pgtbl宏分析

2.1.2 MM_MMUFLAGS解释

在文件arm64/kernel/head.S line71：

/*

* Initial memory map attributes.

*/

#ifndefCONFIG_SMP

#definePTE_FLAGS PTE_TYPE_PAGE | PTE_AF

#definePMD_FLAGS PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AF

#else

#definePTE_FLAGS PTE_TYPE_PAGE | PTE_AF |PTE_SHARED

#definePMD_FLAGS PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AF| PMD_SECT_S

#endif

#ifdefCONFIG_ARM64_64K_PAGES

#defineM