arm页表学习

2024-10-21

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ARMv8(aarch64)页表建立过程详细分析_aarch64 页表-CSDN博客

【原创】（一）ARMv8 MMU及Linux页表映射 - LoyenWang - 博客园

arm页表

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

AArch64Linux内存布局：

地址范围开始	地址范围结束	大小	用途
0000000000000000	0000007fffffffff	512GB	用户空间
ffffff8000000000	ffffffbbfffcffff	~240GB	vmalloc区域
ffffffbbfffd0000	ffffffbcfffdffff	64KB	守护页
ffffffbbfffe0000	ffffffbcfffeffff	64KB	PCI I/O空间
ffffffbbffff0000	ffffffbcffffffff	64KB	守护页
ffffffbc00000000	ffffffbdffffffff	8GB	vmemmap区域
ffffffbe00000000	ffffffbffbffffff	~8GB	守护页和未来vmemmap区域
ffffffbffc000000	ffffffbfffffffff	64MB	模块区域
ffffffc000000000	ffffffffffffffff	256GB	内存（保留或未分配）

aarch64虚拟地址

4K页时的虚拟地址

64K页时的虚拟地址

PGD全局页表字典
PTE页表项
PMD 中间页表字典

TLB

Translation lookaside buffer,即旁路转换缓冲，或称为页表缓冲；里面存放的是一些页表文件（虚拟地址到物理地址的转换表）。又称为快表技术。如果匹配到逻辑地址就可以迅速找到页框号（页框号可以理解为页表项），通过页框号与逻辑地址的后12位的偏移自合得到最终的物理地址。如果没在TLB中匹配到逻辑地址，就出现TLB不命中（TLB Misss），需要通过常规的页表查询。如果TLB足够大，那么这个转换就会变得迅速。但是事实是TLB的容量非常小，一般都是几十项到几百项不等。
在有些的处理器架构中，为了提供效率，还将TLB进行分组，以X86架构为例，一般都分为以下四个组：
第一组：缓存一般页表（4KB页面）的指令页表缓存（Instruction-TLB）
第二组：缓存一般页表（4KB页面）的数据页表缓存（Data-TLB）
第三组：缓存大尺寸页表（2MB/4M页B面）的指令页表缓存（Instruction-TLB）
第四组：缓存大尺寸页表（2MB/4MB页面）的数据页表缓存（Data-TLB）
举一个例子：假设一个应用程序需要使用8KB的物理内存，如果使用常规页（4KB）并且使TLB总能命中，那么至少需要在TLB表中存放两个表项，在这种情况下，只要寻址的内容都在该内容页内，那么只要两个表项就足够了。如果该应用程序需要使用512个内容页也就是2MB大小，那么需要512个页表表项才能保证不会出现TLB不命中的情况。但是TLB容量有限，随着程序的变大或者使用内存的增加，那么势必会增加TLB的使用项，最后导致TLB出现不命中的情况。此时，大页的优势就显示出来了，如果使用2MB作为分页的基本单位，那么只需要一个页表项就可以保证不出现TLB不命中的情况；对于消耗内存以GB（2^30）为单位的大型程序，可以采用1GB为单位作为分页的基本单位，减少TLB不命中的情况。

页表建立过程

/*

 * 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)