背景
Read the fucking source code!--By 鲁迅A picture is worth a thousand words.--By 高尔基
说明：
- Kernel版本：4.14
- ARM64处理器，Contex-A53，双核
- 使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 介绍
要想理解好Linux的页表映射，MMU的机制是需要去熟悉的，因此将这两个模块放到一起介绍。
关于ARMv8 MMU的相关内容，主要参考文档：《ARM Cortex-A Series Programmer’s Guide for ARMv8-A》。
2. ARMv8 MMU
2.1 MMU/TLB/Cache概述
MMU：完成的工作就是虚拟地址到物理地址的转换，可以让系统中的多个程序跑在自己独立的虚拟地址空间中，相互不会影响。程序可以对底层的物理内存一无所知，物理地址可以是不连续的，但是不妨碍映射连续的虚拟地址空间。TLB：MMU工作的过程就是查询页表的过程，页表放置在内存中时查询开销太大，因此专门有一小片访问更快的区域用于存放地址转换条目，用于提高查找效率。当页表内容有变化的时候，需要清除TLB，以防止地址映射出错。Cache：处理器和存储器之间的缓存机制，用于提高访问速率，在ARMv8上会存在多级Cache，其中L1 Cache分为指令Cache和数据Cache，在CPU Core的内部，支持虚拟地址寻址；L2 Cache容量更大，同时存储指令和数据，为多个CPU Core共用，这多个CPU Core也就组成了一个Cluster。
下图浅黄色部分描述的就是一个地址转换的过程。
由于上图没有体现出L1和L2 Cache和MMU的关系，所以再来一张图吧：
那具体是怎么访问的呢？再来一张图：
2.2 虚拟地址到物理地址的转换
虚拟地址到物理地址的映射通过查表的机制来实现，ARMv8中，Kernel Space的页表基地址存放在TTBR1_EL1寄存器中，User Space页表基地址存放在TTBR0_EL0寄存器中，其中内核地址空间的高位为全1，(0xFFFF0000_00000000 ~ 0xFFFFFFFF_FFFFFFFF)，用户地址空间的高位为全0，(0x00000000_00000000 ~ 0x0000FFFF_FFFFFFFF)
ARMv8中：
虚拟地址支持
64位虚拟地址中，并不是所有位都用上，除了高16位用于区分内核空间和用户空间外，有效位的配置可以是：36, 39, 42, 47。这可决定Linux内核中地址空间的大小。比如我使用的内核中有效位配置为CONFIG_ARM64_VA_BITS=39，用户空间地址范围：0x00000000_00000000 ~ 0x0000007f_ffffffff，大小为512G，内核空间地址范围：0xffffff80_00000000 ~ 0xffffffff_ffffffff，大小为512G。页面大小支持
支持3种页面大小：4KB, 16KB, 64KB。页表支持
支持至少两级页表，至多四级页表，Level 0 ~ Level 3。
结合有效虚拟地址位， 页面大小，页表的级数，可以组合成不同的页表映射方式。
我使用的内核配置为：39位有效位，4KB大小页面，3级页表，所以我会以这个组合来介绍。
在ARMv8的手册中刚好找到了下图，描述了整个translation的过程，简直完美：
- 虚拟地址[63:39]用于区分内核空间与用户空间，从而选择不同的
TTBRn寄存器来获取Level 1页表基地址； - 虚拟地址[38:30]放置
Level 1页表中的索引，从而找到对应的描述符地址并获取描述符内容，根据描述符中的内容获取Level 2页表基地址; - 虚拟地址[29:21]
Level 2页表中的索引，从而找到对应的描述符地址并获取描述符内容，根据描述符中的内容获取Level 3页表基地址; - 虚拟地址[20:12]
Level 3页表中的索引，从而找到对应的描述符地址并获取描述符内容，根据描述符中的内容获取物理地址的高36位，以4K地址对齐； - 虚拟地址[11:0]放置的是物理地址的偏移，结合获取的物理地址高位，最终得到物理地址。
讲到这里还没有完，是时候看一下Table Descriptor了，也就是页表中存放的内容，有以下四种类型：
类型有低两位来决定，其中Level 0中的Table Descriptor只能输出Level 1页表的地址，Level 3中的Table Descriptor只能输出block addresses。
看到图中的attributes了吗，这些可以用于memory的权限控制，memory ordering，cache policy的操作等。
在ARMv8中，与页表相关的寄存器有：TCR_EL1, TTBRx_EL1.
3. Linux页表映射
3.1 Linux页表基本操作
看过《深入理解Linux内核》的同学应该很熟悉下边这张图片，Linux的分页模式（图中以X86为例，页表基地址由CR3寄存器指定）：
在Linux内核中支持4级页表的模型，同时适用于32位和64位系统。
那么ARMv8与Linux内核是怎么结合的呢？以我实际使用的设置（39位有效位，4KB大小页面，3级页表）为例，如下图所示：
基本上内核中关于页表的操作都会围绕着上图进行操作，似乎脱离了代码有点不太合适，那么就来一波fucking source code解析吧，主要讲讲各类page table相关的API。
代码路径：
arch/arm64/include/asm/pgtable-types.h：定义pgd_t, pud_t, pmd_t, pte_t等类型；
arch/arm64/include/asm/pgtable-prot.h：针对页表中entry中的权限内容设置；
arch/arm64/include/asm/pgtable-hwdef.h：主要包括虚拟地址中PGD/PMD/PUD等的划分，这个与虚拟地址的有效位及分页大小有关，此外还包括硬件页表的定义， TCR寄存器中的设置等；
arch/arm64/include/asm/pgtable.h：页表设置相关；
在这些代码中可以看到，
- 当
CONFIG_PGTABLE_LEVELS=4时：pgd-->pud-->pmd-->pte; - 当
CONFIG_PGTABLE_LEVELS=3时，没有PUD页表：pgd(pud)-->pmd-->pte; - 当
CONFIG_PGTABLE_LEVELS=2时，没有PUD和PMD页表：pgd(pud, pmd)-->pte
常用的宏定义
页表处理
/*描述各级页表中的页表项*/
typedef struct { pteval_t pte; } pte_t;
typedef struct { pmdval_t pmd; } pmd_t;
typedef struct { pudval_t pud; } pud_t;
typedef struct { pgdval_t pgd; } pgd_t;
/* 将页表项类型转换成无符号类型 */
#define pte_val(x) ((x).pte)
#define pmd_val(x) ((x).pmd)
#define pud_val(x) ((x).pud)
#define pgd_val(x) ((x).pgd)
/* 将无符号类型转换成页表项类型 */
#define __pte(x) ((pte_t) { (x) } )
#define __pmd(x) ((pmd_t) { (x) } )
#define __pud(x) ((pud_t) { (x) } )
#define __pgd(x) ((pgd_t) { (x) } )
/* 获取页表项的索引值 */
#define pgd_index(addr) (((addr) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD - 1))
#define pud_index(addr) (((addr) >> PUD_SHIFT) & (PTRS_PER_PUD - 1))
#define pmd_index(addr) (((addr) >> PMD_SHIFT) & (PTRS_PER_PMD - 1))
#define pte_index(addr) (((addr) >> PAGE_SHIFT) & (PTRS_PER_PTE - 1))
/* 获取页表中entry的偏移值 */
#define pgd_offset(mm, addr) (pgd_offset_raw((mm)->pgd, (addr)))
#define pgd_offset_k(addr) pgd_offset(&init_mm, addr)
#define pud_offset_phys(dir, addr) (pgd_page_paddr(*(dir)) + pud_index(addr) * sizeof(pud_t))
#define pud_offset(dir, addr) ((pud_t *)__va(pud_offset_phys((dir), (addr))))
#define pmd_offset_phys(dir, addr) (pud_page_paddr(*(dir)) + pmd_index(addr) * sizeof(pmd_t))
#define pmd_offset(dir, addr) ((pmd_t *)__va(pmd_offset_phys((dir), (addr))))
#define pte_offset_phys(dir,addr) (pmd_page_paddr(READ_ONCE(*(dir))) + pte_index(addr) * sizeof(pte_t))
#define pte_offset_kernel(dir,addr) ((pte_t *)__va(pte_offset_phys((dir), (addr))))3.2 head.S中的页表映射
3.2.1 idmap_pg_dir和swapper_pg_dir临时页表
是时候来个实例分析了，看看页表的创建过程，代码路径：arch/arm64/kernel/head.S。
内核启动过程中，在真正的物理内存尚未添加进系统，以及页表还未初始化之前，为了保证系统能正常运行，需要建立两个临时全局页表：idmap_pg_dir和swapper_pg_dir：
其中两个全局页表的定义在arch/arm64/kernel/vmlinux.lds.S中，放置在BSS段之后：
. = ALIGN(PAGE_SIZE);
idmap_pg_dir = .;
. += IDMAP_DIR_SIZE;
swapper_pg_dir = .;
. += SWAPPER_DIR_SIZE;/* 定义了连续的几个页，分别存放PGD，PMD，PTE等，连续在一起，这个也是head.S中填充的 */
#define SWAPPER_DIR_SIZE (SWAPPER_PGTABLE_LEVELS * PAGE_SIZE)
#define IDMAP_DIR_SIZE (IDMAP_PGTABLE_LEVELS * PAGE_SIZE)idmap_pg_dir
从名字可以看出，identify map，也就是物理地址和虚拟地址是相等的。为什么需要这么一个映射呢？我们都知道在MMU打开之前，CPU访问的都是物理地址，那么当MMU打开后访问的就是虚拟地址了，这段页表的映射就是从CPU到打开MMU之前的这段代码物理地址的映射，防止开启MMU后，无法获取页表。可以从System.map文件中查看这些代码：
swapper_pg_dir
Linux内核编译后，kernel image是需要进行映射的，包括text，data等各种段。
3.2.2 页表创建
在head.S中，创建页表相关的有三个宏：
create_pgd_entry
/*
* Macro to populate the PGD (and possibily PUD) for the corresponding
* block entry in the next level (tbl) for the given virtual address.
*
* Preserves: tbl, next, virt
* Corrupts: tmp1, tmp2
*/
.macro create_pgd_entry, tbl, virt, tmp1, tmp2
create_table_entry \tbl, \virt, PGDIR_SHIFT, PTRS_PER_PGD, \tmp1, \tmp2
#if SWAPPER_PGTABLE_LEVELS > 3
create_table_entry \tbl, \virt, PUD_SHIFT, PTRS_PER_PUD, \tmp1, \tmp2
#endif
#if SWAPPER_PGTABLE_LEVELS > 2
create_table_entry \tbl, \virt, SWAPPER_TABLE_SHIFT, PTRS_PER_PTE, \tmp1, \tmp2
#endif
.endm上述函数主要是调用create_table_entry，由于SWAPPER_PGTABLES配置为3，因此相当于创建了pgd和pmd两级页表，此处需要注意一点，create_table_entry函数执行后，tbl参数会自动加上PAGE_SIZE，也就是说pgd和pmd两级页表是物理连续的。
create_block_map
/*
* Macro to populate block entries in the page table for the start..end
* virtual range (inclusive).
*
* Preserves: tbl, flags
* Corrupts: phys, start, end, pstate
*/
.macro create_block_map, tbl, flags, phys, start, end
lsr \phys, \phys, #SWAPPER_BLOCK_SHIFT
lsr \start, \start, #SWAPPER_BLOCK_SHIFT
and \start, \start, #PTRS_PER_PTE - 1 // table index
orr \phys, \flags, \phys, lsl #SWAPPER_BLOCK_SHIFT // table entry
lsr \end, \end, #SWAPPER_BLOCK_SHIFT
and \end, \end, #PTRS_PER_PTE - 1 // table end index
9999: str \phys, [\tbl, \start, lsl #3] // store the entry
add \start, \start, #1 // next entry
add \phys, \phys, #SWAPPER_BLOCK_SIZE // next block
cmp \start, \end
b.ls 9999b
.endm上述函数主要是往block中填充pte entry，真正创建虚拟地址到物理地址的映射，映射区域：start ~ end。
create_table_entry
/*
* Macro to create a table entry to the next page.
*
* tbl: page table address
* virt: virtual address
* shift: #imm page table shift
* ptrs: #imm pointers per table page
*
* Preserves: virt
* Corrupts: tmp1, tmp2
* Returns: tbl -> next level table page address
*/
.macro create_table_entry, tbl, virt, shift, ptrs, tmp1, tmp2
lsr \tmp1, \virt, #\shift
and \tmp1, \tmp1, #\ptrs - 1 // table index
add \tmp2, \tbl, #PAGE_SIZE
orr \tmp2, \tmp2, #PMD_TYPE_TABLE // address of next table and entry type
str \tmp2, [\tbl, \tmp1, lsl #3]
add \tbl, \tbl, #PAGE_SIZE // next level table page
.endm上述函数创建页表项，并且返回下一个Level的页表地址。
上述三个孤立的函数并不直观，所以，图来了：
总体来说，页表的创建过程相对来说还是比较易懂的，掌握好几级页表及各级页表index所占的位域，此外熟悉各个Level页表中entry的格式，理解起来就会顺畅很多了。
一抠细节深似海，点到为止，防止一叶障目不见泰山，收工！
