着手建立内核永久页表

5.2.3 着手建立内核永久页表

得到了总的页面数max_pfn和高端页面数highmem_pages之后，来到setup_arch的947行，调用init_memory_mapping()函数来建立系统初始化阶段的临时分页体系，传入的参数意义代表从0~max_low_pfn对应的32位物理地址（低12位全为0，也就是页面对齐），在函数init_memory_mapping函数中先后调用下面的几个函数来设置内存相关数据(因为bootmem此时没有初始化)：

find_early_table_space()

kernel_physical_mapping_init()

early_ioremap_page_table_range_init()

load_cr3()

reserve_early()

 

其中，首先find_early_table_space 所实现的功能是相当重要的：

 

32static void __init find_early_table_space(unsigned long end, int use_pse,   33                                          int use_gbpages)   34{   35        unsigned long puds, pmds, ptes, tables, start;   36   37        puds = (end + PUD_SIZE - 1) >> PUD_SHIFT;   38        tables = roundup(puds * sizeof(pud_t), PAGE_SIZE);   39   40        if (use_gbpages) {   41                unsigned long extra;   42   43                extra = end - ((end>>PUD_SHIFT) << PUD_SHIFT);   44                pmds = (extra + PMD_SIZE - 1) >> PMD_SHIFT;   45        } else   46                pmds = (end + PMD_SIZE - 1) >> PMD_SHIFT;   47   48        tables += roundup(pmds * sizeof(pmd_t), PAGE_SIZE);   49   50        if (use_pse) {   51                unsigned long extra;   52   53                extra = end - ((end>>PMD_SHIFT) << PMD_SHIFT);   54#ifdef CONFIG_X86_32   55                extra += PMD_SIZE;   56#endif   57                ptes = (extra + PAGE_SIZE - 1) >> PAGE_SHIFT;   58        } else   59                ptes = (end + PAGE_SIZE - 1) >> PAGE_SHIFT;   60   61        tables += roundup(ptes * sizeof(pte_t), PAGE_SIZE);   62   63#ifdef CONFIG_X86_32   64        /* for fixmap */   65        tables += roundup(__end_of_fixed_addresses * sizeof(pte_t), PAGE_SIZE);   66#endif   67   68        /*   69         * RED-PEN putting page tables only on node 0 could   70         * cause a hotspot and fill up ZONE_DMA. The page tables   71         * need roughly 0.5KB per GB.   72         */   73#ifdef CONFIG_X86_32   74        start = 0x7000;   75#else   76        start = 0x8000;   77#endif   78        e820_table_start = find_e820_area(start, max_pfn_mapped<<PAGE_SHIFT,   79                                        tables, PAGE_SIZE);   80        if (e820_table_start == -1UL)   81                panic("Cannot find space for the kernel page tables");   82   83        e820_table_start >>= PAGE_SHIFT;   84        e820_table_end = e820_table_start;   85        e820_table_top = e820_table_start + (tables >> PAGE_SHIFT);   86   87        printk(KERN_DEBUG "kernel direct mapping tables up to %lx @ %lx-%lx/n",   88                end, e820_table_start << PAGE_SHIFT, e820_table_top << PAGE_SHIFT);   89}

 

我们看到它确定了PUD和PMD以及PTE、固定内存映射等所有的选项所使用的内存空间的大小；之后调用find_e820_area函数从e820.map[]数组中寻找到一块能够容纳所有页表项的内存段：

 

743u64 __init find_e820_area(u64 start, u64 end, u64 size, u64 align)  744{  745        int i;  746  747        for (i = 0; i < e820.nr_map; i++) {  748                struct e820entry *ei = &e820.map[i];  749                u64 addr;  750                u64 ei_start, ei_last;  751  752                if (ei->type != E820_RAM)  753                        continue;  754  755                ei_last = ei->addr + ei->size;  756                ei_start = ei->addr;  757                addr = find_early_area(ei_start, ei_last, start, end,  758                                         size, align);  759  760                if (addr != -1ULL)  761                        return addr;  762        }  763        return -1ULL;  764}

 

find_e820_area中检测e820.map的每一个元素，这个元素代表的内存区必须是E820_RAM，然后调用find_early_area获得tables的首地址：

 

539u64 __init find_early_area(u64 ei_start, u64 ei_last, u64 start, u64 end,  540                         u64 size, u64 align)  541{  542        u64 addr, last;  543  544        addr = round_up(ei_start, align);  545        if (addr < start)  546                addr = round_up(start, align);  547        if (addr >= ei_last)  548                goto out;  549        while (bad_addr(&addr, size, align) && addr+size <= ei_last)  550                ;  551        last = addr + size;  552        if (last > ei_last)  553                goto out;  554        if (last > end)  555                goto out;  556  557        return addr;  558  559out:  560        return -1ULL;  561}

 

这个find_early_area函数我们要好好说道说道。早系统初始化时，什么内存管理器、内存模型这些东西都没有建立，那么获得内存的最低级函数就是这个find_early_area函数。它接收6个参数：ei_start和ei_last表示分配范围，我们看到这个范围不能超出某个e820.map[i]元素代表的范围；start和end代表期望分配的范围；size为期望分配大小；align表示对齐方式。我们看到，如果addr >= ei_last，或者last > ei_last，或者last > end都会分配失败。这个条件看上去很苛刻，不过e820.map[]数组有那么多元素，总有一个元素会满足的，不然所有的Linux都无法运行了。

 

round_up以及还有一个双胞胎弟弟round_down的定义如下：

#define __round_mask(x, y) ((__typeof__(x))((y)-1))

#define round_up(x, y) ((((x)-1) | __round_mask(x, y))+1)

#define round_down(x, y) ((x) & ~__round_mask(x, y))

 

获得了获得页表tables的首地址之后，find_early_table_space就用它设置e820_table_start、e820_table_end和e820_table_top的值。这三个全局变量相当的重要，分别表示这个将要容纳所有内核页表的空间的起始、结束和顶部页对齐地址头20位（此时e820_table_start和e820_table_end是相等的），在后面的页表初始化阶段将会使用到这三个变量。

 

看了这么多代码，很多同学可能有些迷糊了。为啥我们在arch/x86/kernel/head_32.S中已经初始化了分页环境，建立了一个临时页表了，为啥这里还要建一个呢？其实，这就是ULK-3书中提到的内核临时页表和最终内核页表的概念。我在博客“高端内存映射”http://blog.csdn.net/yunsongice/archive/2010/01/26/5258589.aspx中也提到过这一点。

 

大家好好回忆一下，当时建立的临时页表个数只取决于_end的位置，也就是把解压缩后的内核代码映射出来了。而这里，是要把所有可用的RAM（注意这里是包括了已经映射了的内核代码、页目录）以页为单位分成多个页，每个页一个比特，提供一个初始阶段内存的分配和释放管理平台。

 

目前我的电脑，在arch/x86/kernel/head_32.S里只是映射了大概4M的vmlinux代码。内核尺寸在4M左右(不压缩)，一般需要连续映射3个页面表。现在要把所有RAM映射到内核空间。那么内核要根据e820物理内存的布局，也就是RAM的结点布局对多个结点及结点的管理区作初化，最终把除去内核之外所有剩余的页交给页框分配器，同时也完成了页框分配器的初始化。