RISC-V Linux启动之页表创建分析

上篇分析了RISC-V Linux的汇编启动过程，其中讲到了relocate重定向需要开启MMU，今天分析RISC-V Linux的页表创建。

注意：本文基于linux5.10.111内核

sv39 mmu

RISC-V Linux支持sv32、sv39、sv48等虚拟地址格式，分别代表32为虚拟地址、38位虚拟地址和48位虚拟地址。RISC-V Linux默认也是使用sv39格式，sv39的虚拟地址、物理地址、PTE格式如下：

虚拟地址格式：

物理地址格式：

PTE格式：

虚拟地址使用39位表示，其中低12位代表page offset，高位划分为了三部分：VP N[0]、VP N[1]和VP N[2]，分别代表虚拟地址VA在PTE、PMD和PGD中的索引。

物理地址使用56位表示，低12位代表page offset，高位是物理页PPN[0]、PPN[1]和PPN[2]

PTE保存了物理页PPN[0]、PPN[1]和PPN[2]，和物理地址中的PPN相对应；PTE的低10位代表物理地址的访问权限，当RWX全为0时，则代表该PTE存储的地址是下一级页表的物理地址，否则代表当前页表是最后一级页表。

再看看sv39 的页表格式，sv39使用的是三级页表，PGD、PMD和PTE，每一个级页表使用9bit表示，即每一级页表都有512个页表项。

在代码中，创建一个有512个元素的数组即代表一个页表。一个PTE有512个页表项，每一个页表项占用8字节，512*8=4096字节，所以一个PTE代表4K。一个PMD也是512个页表项，每一项可代表一个PTE，512 *4 K=2M，所以一个PMD就代表2M。以此类推，一个PGD代表512 * 2M=1G。

重要结论：PGD代表1G、PMD代表2M、PTE代表4K。sv39默认的页大小是4K。

三级页表虚拟地址转为物理地址过程示意图：

sv39三级页表虚拟地址转为物理地址过程：

MMU通过satp寄存器得到PGD的物理地址，结合PGD index（即V PN[2]）找到PMD；找到PMD后，再结合PMD index（即V PN[1]）找到PTE，然后结合PTE index（即V PN[0]）得到VA在PTE索引中的值，从而得到物理地址。

最后在PTE中取出PPN[2]、PPN[1]和PPN[0],再和虚拟地址的低12位offset相加，得到最终的物理地址。

临时页表分析

MMU开启前，需要建立好kernel、dtb、trampoline等页表。以便MMU开启后，并且在内存管理模块运行之前，kernel可以正常初始化，dtb可以正常地被解析。这部分页表都是临时页表，最终的页表在setup_vm_final()建立。

临时页表创建顺序：

首先为fixmap创建早期的PGD、PMD，这时PGD使用early_pg_dir。然后对从kernel开始的前2M内存建立二级页表，此时PGD使用trampoline_pg_dir，为这2M建立的页表也叫作superpage。再然后，对整个kernel创建二级页表，此时PGD使用early_pg_dir。最后为dtb预留4M大小创建二级页表。

页表创建函数

create_pgd_mapping()

void __init create_pgd_mapping(pgd_t *pgdp,
          uintptr_t va, phys_addr_t pa,
          phys_addr_t sz, pgprot_t prot)

pgdp：PGD页表

va：虚拟地址

pa：物理地址

sz：映射大小，PGDIR_SIZE或PMD_SIZE或PTE_SIZE

prot：PAGE_KERNEL_EXEC/PAGE_KERNEL表示当前是最后一级页表，否则pa代表下一级页表的物理地址

create_pmd_mapping()

static void __init create_pmd_mapping(pmd_t *pmdp,
          uintptr_t va, phys_addr_t pa,
          phys_addr_t sz, pgprot_t prot)

pmdp：PMD页表

va：虚拟地址

pa：物理地址

sz：映射大小，PMD_SIZE或PAGE_SIZE

prot：权限，PAGE_KERNEL_EXEC/PAGE_KERNEL表示当前是最后一级页表，否则pa代表下一级页表的物理地址

create_pte_mapping()

static void __init create_pte_mapping(pte_t *ptep,
          uintptr_t va, phys_addr_t pa,
          phys_addr_t sz, pgprot_t prot)

ptep：PTE页表

va：虚拟地址

pa：物理地址

sz：映射大小，PAGE_SIZE

prot：权限，PAGE_KERNEL_EXEC/PAGE_KERNEL表示当前是最后一级页表，否则pa代表下一级页表的物理地址

使用举例

例如，将虚拟地址PAGE_OFFSET映射到物理地址pa，映射大小为4K，创建三级页表PGD、PMD和PTE：

create_pgd_mapping(early_pg_dir，PAGE_OFFSET，
                   (uintptr_t)early_pmd，PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(early_pmd，PAGE_OFFSET，
                   (uintptr_t)early_pte，PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pte_mapping(early_pte，PAGE_OFFSET，
                   (uintptr_t)pa，PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);

这样创建后，MMU就会根据PAGE_OFFSET在PGD中找到PMD，然后再PMD中找到PTE，最后取出物理地址。

页表创建源码分析

RISC-V Linux启动，经历了两次页表创建过程，第一次使用C函数setup_vm()创建临时页表，第二次使用C函数setup_vm_final()创建最终页表。

具体细节参考代码中的注释，下面的代码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加载的其实物理地址
    //load_sz就是kernel的实际大小

    //page_offset就是kernel的起始物理地址对应的虚拟地址，va_pa_offset是他们的偏移量
 va_pa_offset = PAGE_OFFSET - load_pa;
    
    //计算得到kernel起始物理地址的物理页，PFN_DOWN是将物理地址右移12位，因为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为2M，在当前，map_size只能为PGDIR_SIZE或PMD_SIZE。这时kernel默认不允许建立PTE。

 //检查PAGE_OFFSET是否1G对齐，以及kernel入口地址是否2M对齐
 BUG_ON((PAGE_OFFSET % PGDIR_SIZE) != 0);
 BUG_ON((load_pa % map_size) != 0);

    //allc_pte_early里面是BUG(),对于临时页表，kernel不允许我们建立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
 /* 设置 early PGD for fixmap */
 create_pgd_mapping(early_pg_dir, FIXADDR_START,
      (uintptr_t)fixmap_pgd_next, PGDIR_SIZE, PAGE_TABLE);


 /* 设置 fixmap PMD */
 create_pmd_mapping(fixmap_pmd, FIXADDR_START,
      (uintptr_t)fixmap_pte, PMD_SIZE, PAGE_TABLE);
 /* 设置 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);

 /*
  * 设置覆盖整个内核的早期PGD，这将使我们能够达到paging_init（）。
  * 稍后在下面的 setup_vm_final（） 中映射所有内存。
  */
 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);

 /* 为dtb创建早期的PMD */
 create_pgd_mapping(early_pg_dir, DTB_EARLY_BASE_VA,
      (uintptr_t)early_dtb_pmd, PGDIR_SIZE, PAGE_TABLE);
 /* 为 FDT 早期扫描创建两个连续的 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()在最开始就进行了kernel入口地址的对齐检查，要求入口地址2M对齐。假设内存起始地址为0x80000000，那么kernel只能放在0x80000000、0x80200000等2M对齐处。为什么会有这种对齐要求呢？

我猜测单纯是为给opensbi预留了2M空间，因为kernel之前还有opensbi，而opensbi运行完之后，默认跳转地址就是偏移2M，kernel只是为了跟opensbi对应，所以设置了2M对齐。

那opensbi需要占用2M这么大？实际上只需要几百KB，因此opensbi和kernel中间有一段内存是空闲的，没有人使用。这个问题我们下篇再讲。

setup_vm_final()

在该函数中开始为整个物理内存做内存映射，通过swapper页表来管理，并且清除掉汇编阶段的页表。

static void __init setup_vm_final(void)
{
 uintptr_t va, map_size;
 phys_addr_t pa, start, end;
 u64 i;

 /**
  * 此时MMU已经开启，但是页表还没完全建立。
  */
 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);

 /* 为整个物理内存创建页表 */
 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是选择合适的映射大小，kernel入口地址2M对齐或者kernel大小能被2M整除时，map_size就是2M，否则就是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);

 /* 切换到swapper页表，这个是最终的页表，汇编阶段relocate开启MMU的操作，跟下面这句是一样的。 */
 csr_write(CSR_SATP, PFN_DOWN(__pa_symbol(swapper_pg_dir)) | SATP_MODE);
 local_flush_tlb_all();//刷新TLB

 ......
}

说明：

在setup_vm_final()函数中，通过swapper_pg_dir页表来管理整个物理内存的访问。并且清除汇编阶段的页表fixmap_pte和early_pg_dir。（本质上就是把该页表项的内容清0，即赋值为0）

最终把swapper_pg_dir页表的物理地址赋值给SATP寄存器。这样CPU就可以通过该页表访问整个物理内存。

切换页表通过如下实现：

csr_write(CSR_SATP,PFN_DOWN(_pa(swapper_pg_dir))|SATP_MODE);

在swapper_pg_dir管理的kernel space中，其虚拟地址与物理地址空间的偏移是固定的，为va_pa_offset（定义在arch/riscv/mm/init.c中的一个全局变量）

注意：swapper_pg_dir管理的是kernel space的页表，即它把物理内存映射到的虚拟地址空间是只能kernel访问的。user space不能访问，用户空间如果访问，必须自行建立页表，把物理地址映射到user space的虚拟地址空间。kernel线程共享这个swapper_pg_dir页表。

总结

RISC-V Linux启动时的页表创建相对来说还是比较容易理解的，都是C语言创建的，代码也比较少。主要就是setup_vm()和setup_vm_final()两个页表创建函数。理解了sv39的一些地址格式后，再去分析源码就比较容易。不过不同kernel版本代码都不一样，需要具体情况具体分析。

本篇提到了setup_vm()会检查kernel入口地址是否2M对齐，如果不对齐kernel无法启动，但其实我们可以解除这个2M对齐限制，将这部分空间利用起来，下篇教大家优化这部分内存。