浅析linux内核内存管理之最终内核页表

              浅析linux内核内存管理之最终内核页表

                                  

在系统初始化的时候进行了最终内核映射，主要在paging_init函数中：

 499void __init paging_init(void)
 500{
 501#ifdef CONFIG_X86_PAE
 502        set_nx();
 503        if (nx_enabled)
 504                printk("NX (Execute Disable) protection: active\n");
 505#endif
 506
 507        pagetable_init();
 508
 509        load_cr3(swapper_pg_dir);
 510
 511#ifdef CONFIG_X86_PAE
 512        /*
 513         * We will bail out later - printk doesn't work right now so
 514         * the user would just see a hanging kernel.
 515         */
 516        if (cpu_has_pae)
 517                set_in_cr4(X86_CR4_PAE);
 518#endif
 519        __flush_tlb_all();
 520
 521        kmap_init();
 522        zone_sizes_init();
 523}

1. 其中pagetable_init函数主要对直接映射区，永久映射区，固定映射区的页表进行了设置。当设置临时页表的时候，swapper_pg_dir是存放临时页全局目录，范围是0～4G。在建立最终内核页表的时候，仍然使用了swapper_pg_dir这个变量，在pagetable_init函数中对其进行了重新的设置，使其保存3G～4G的页全局目录部分的地址
2. 把swapper_pg_dir的物理地址存放在cr3中
3. 如果CONFIG_X86_PAE，则设置CR4寄存器的第5位，即PAE标志位
4. 使tlb无效
5. 临时内核映射占用的空间是固定内核映射的一部分，从FIX_KMAP_BEGIN~FIX_KMAP_END，由于之前已经设置了固定映射的页中间目录，页表等，所以临时内核映射的页表是存在的。在kmap_init函数中主要就是获得临时内核映射区的第一个页表，即FIX_KMAP_BEGIN对应的页表，将地址存放在kmap_pte变量中

下面分析pagetable_init是怎样建立内核地址空间与直接映射区物理内存的映射的：

 310static void __init pagetable_init (void)
 311{
 312        unsigned long vaddr;
 313        pgd_t *pgd_base = swapper_pg_dir;
 314
 315#ifdef CONFIG_X86_PAE
 316        int i;
 317        /* Init entries of the first-level page table to the zero page */
 318        for (i = 0; i < PTRS_PER_PGD; i++)
 319                set_pgd(pgd_base + i, __pgd(__pa(empty_zero_page) | _PAGE_PRESENT));
 320#endif
 321
 322        /* Enable PSE if available */
 323        if (cpu_has_pse) {
 324                set_in_cr4(X86_CR4_PSE);
 325        }
 326
 327        /* Enable PGE if available */
 328        if (cpu_has_pge) {
 329                set_in_cr4(X86_CR4_PGE);
 330                __PAGE_KERNEL |= _PAGE_GLOBAL;
 331                __PAGE_KERNEL_EXEC |= _PAGE_GLOBAL;
 332        }
 333
 334        kernel_physical_mapping_init(pgd_base);
 335        remap_numa_kva();
 336
 337        /*
 338         * Fixed mappings, only the page table structure has to be
 339         * created - mappings will be set by set_fixmap():
 340         */
 341        vaddr = __fix_to_virt(__end_of_fixed_addresses - 1) & PMD_MASK;
 342        page_table_range_init(vaddr, 0, pgd_base);
 343
 344        permanent_kmaps_init(pgd_base);
 345
 346#ifdef CONFIG_X86_PAE
 347        /*
 348         * Add low memory identity-mappings - SMP needs it when
 349         * starting up on an AP from real-mode. In the non-PAE
 350         * case we already have these mappings through head.S.
 351         * All user-space mappings are explicitly cleared after
 352         * SMP startup.
 353         */
 354        pgd_base[0] = pgd_base[USER_PTRS_PER_PGD];
 355#endif
 356}

1. 如果是PAE的，那么使用页目录指针表(PDPT)，此时pgd只有4项，将其填充为零页的地址
2. 如果设置了PSE，则置位CR4寄存器的第4位
3. 如果设置了PGE，则置位CR4寄存器的第7位
4. 设置直接映射区的页表结构
5. 获得固定映射区起始的线性地址，调用page_table_range_init函数，设置固定映射部分的master kernel page directory，pmd，pte。
6. 调用permanent_kmaps_init函数设置永久映射部分。建立从PKMAP_BASE～PKMAP_BASE+PAGE_SIZE*LASTKMAP的映射，永久映射只使用内核中的一个页表，所以在开启PAE的时候为2MB，否则为4MB，并将页表的地址放入pkmap_page_table变量中

直接映射区的页表建立由kernel_physical_mapping_init函数完成：

 143static void __init kernel_physical_mapping_init(pgd_t *pgd_base)
 144{
 145        unsigned long pfn;
 146        pgd_t *pgd;
 147        pmd_t *pmd;
 148        pte_t *pte;
 149        int pgd_idx, pmd_idx, pte_ofs;
 150
 151        pgd_idx = pgd_index(PAGE_OFFSET);
 152        pgd = pgd_base + pgd_idx;
 153        pfn = 0;
 154
 155        for (; pgd_idx < PTRS_PER_PGD; pgd++, pgd_idx++) {
 156                pmd = one_md_table_init(pgd);
 157                if (pfn >= max_low_pfn)
 158                        continue;
 159                for (pmd_idx = 0; pmd_idx < PTRS_PER_PMD && pfn < max_low_pfn; pmd++, pmd_idx++) {
 160                        unsigned int address = pfn * PAGE_SIZE + PAGE_OFFSET;
 161
 162                        /* Map with big pages if possible, otherwise create normal page tables. */
 163                        if (cpu_has_pse) {
 164                                unsigned int address2 = (pfn + PTRS_PER_PTE - 1) * PAGE_SIZE + PAGE_OFFSET + PAGE_SIZE-1;
 165
 166                                if (is_kernel_text(address) || is_kernel_text(address2))
 167                                        set_pmd(pmd, pfn_pmd(pfn, PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC));
 168                                else
 169                                        set_pmd(pmd, pfn_pmd(pfn, PAGE_KERNEL_LARGE));
 170                                pfn += PTRS_PER_PTE;
 171                        } else {
 172                                pte = one_page_table_init(pmd);
 173
 174                                for (pte_ofs = 0; pte_ofs < PTRS_PER_PTE && pfn < max_low_pfn; pte++, pfn++, pte_ofs++) {
 175                                                if (is_kernel_text(address))
 176                                                        set_pte(pte, pfn_pte(pfn, PAGE_KERNEL_EXEC));
 177                                                else
 178                                                        set_pte(pte, pfn_pte(pfn, PAGE_KERNEL));
 179                                }
 180                        }
 181                }
 182        }
 183}

1. 通过pgd_index计算PAGE_OFFSET在临时页全局目录中的索引值
2. 由于要映射的是直接映射区，所以物理页从物理页0开始
3. one_md_table_init函数和one_page_table_init函数会调用alloc_bootmem_low_pages分配pmd,pt占用的page，并填充pgd,pmd相应的相应的表项
4. 建立直接映射区物理页与内核线性空间的映射，如果是内核代码段设置为可读，写，执行

注意如果开启了PAE，则设置512项的pmd，否则1项的pmd；当开启PAE，则pte为512项，否则1024项

这样，最终内核页表初始化完成。总结一下：在系统初始化的时候，将直接映射区，永久映射区和固定映射区进行了pgd，pmd，pte的填充。其中直接映射区建立了物理地址到线性地址的映射，而其他的在需要的时候通过kmap，kmap_atomic，set_fixmap进行物理地址到线性地址的映射

再多说一部分，也是系统初始化，页表相关的最后一部分。看一下mem_init函数，除了主要任务bootmem allocator与buddy system的交接之外，还设置了高端内存的页(调用set_highmem_pages_init函数)，并调用zap_low_mappings函数清low_memory的映射，内核线程只访问内核空间是不能访问用户空间的，其实low_memory的映射被设置的部分也就是当初为8MB建立的恒等映射填充了临时内核页全局目录的第0项，第1项

 376void zap_low_mappings (void)
 377{
 378        int i;
 379
 380        save_pg_dir();
 381
 382        /*
 383         * Zap initial low-memory mappings.
 384         *
 385         * Note that "pgd_clear()" doesn't do it for
 386         * us, because pgd_clear() is a no-op on i386.
 387         */
 388        for (i = 0; i < USER_PTRS_PER_PGD; i++)
 389#ifdef CONFIG_X86_PAE
 390                set_pgd(swapper_pg_dir+i, __pgd(1 + __pa(empty_zero_page)));
 391#else
 392                set_pgd(swapper_pg_dir+i, __pgd(0));
 393#endif
 394        flush_tlb_all();
 395}