490
作者簡介
于浩進，linux內核愛好者，現就職于北京靈汐科技有限公司，任職BSP工程師，主要負責IP驗證、多媒體驅動開發(fā)及一些bring up等工作。
文章大綱
1.背景介紹
2.環(huán)境說明
2.1 硬件環(huán)境
2.2 Kernel 版本
2.3 kernel 相關配置介紹
3.fixmap 機制介紹
3.1 虛擬空間拓撲
3.1.1 VA=39bit 下 kernel 虛擬地址空間拓撲
3.1.2 FIXMAP 地址空間拓撲
3.1.3 FIXMAP 初始化
3.2 fixmap 在 early ioremap 應用介紹
3.2.1 early_ioremap_setup()
3.2.2 __early_ioremap()
3.3 fixmap 在 early console 應用介紹
3.4 fixmap 在 device-tree 應用介紹
3.4.1 映射過程分析
3.5 fixmap 在 paging_init 中頁表切換介紹
3.5.1 paging_init 函數簡單分析
3.5.2 paging_init 中的 fixmap
4.小結
5.參考文章
01、背景介紹
Fixmap機制是kernel在啟動過程中(start_kernel)臨時的映射機制，目的是在真正頁表建立之前用于完成對io設備的訪問、device-tree的解析以及paging_init中的頁表切換等。本文將對該機制做一個深入的分析。
02、環(huán)境說明
2.1硬件環(huán)境
某SOC芯片，CPU為8核cortex-A53，其DDR物理地址為0x800000000，device-tree存放的物理地址為0x843000000。
2.2kernel版本
4.19.83版本。
2.3kernel相關配置介紹
相關Config配置
相關宏配置
以下宏的值，只給出結果了：
03、虛擬空間拓撲
3.1虛擬空間拓撲
3.1.1 VA=39bit下kernel虛擬地址空間拓撲
圖1詳細展示了VA=39bit下kernel虛擬地址空間拓撲，里面展示了FIXMAP區(qū)域在整個虛擬地址空間所處的位置。
3.1.2 FIXMAP地址空間拓撲
Kernel對Fixmap區(qū)域做了進一步的劃分，各區(qū)間是在enum fixed_addresses 枚舉類型定義的(/arch/arm64/include/asm/fixmap.h)。
其各個區(qū)間的virtual address通過fix_to_virt(const unsigned int idx)函數獲得，其定義是在/include/asm-generic/fixmap.h里面，這個函數后面會用到。
下圖2詳細展示了各個區(qū)間的base address。
Fix_to_virt的定義如下：
3.1.3 FIXMAP初始化
Bm_pte、bm_pmd、Bm_pte為三個全局數組，用于暫存pud、pmd、
pte的頁表。
early_fixmap_init()函數完成了fixmap映射的基礎框架，如下圖3所示，bm_pte數組并沒有填值，因為當前還不知道哪些物理地址需要映射，等需要映射時候再去填寫bm_pte的entry。
經過分析代碼，整理了fixmap各段虛擬地址與bm_pmd entry的關系，如下圖4所示：
需要說明的是FIX_PGD~FIX_FDT在bm_pmd是屬于同一個entry，即可以用bm_pte做pte映射。
FIX_FDT~FIX_HOLE不屬于該entry，即不可以用bm_pte做pte映射，也為后面device-tree的映射做了一個鋪墊。
3.2fixmap在early ioremap應用介紹
3.2.1 early_ioremap_setup()
該函數的比較簡單，主要是依靠__fix_to_virt()給slot_virt[i]填入虛擬地址，其布局如下圖5所示。
slot[i]是fix_map區(qū)域已經規(guī)劃好的虛擬地址范圍，任何I/O地址空間都可以向這7個slot空間做映射。
其中：slot_virt[i] = __fix_to_virt(FIX_BTMAP_BEGIN - NR_FIX_BTMAPS*i)，__fix_to_virt()在之前已經介紹過。Slot_virt每個區(qū)間size為256K。
3.2.2 __early_ioremap()
有三個數組需要說明：
slot_virt[slot]：BTMAP區(qū)域各個區(qū)間虛擬地址；
prev_map[slot]：__early_ioremap()映射后的虛擬地址；
prev_size[slot]：__early_ioremap()要映射的size；
映射流程如下圖6所示：
Figure 6 early ioremap映射流程圖
圖7展示了early ioremap頁表轉換過程，還是比較簡單的。
3.3fixmap在early console應用介紹
Early console的映射與early ioremap的映射類似，通過__fix_to_vit(FIX_EARLYCON_MEM_BASE)獲取虛擬地址，物理地址為UART在SOC的實際分配的地址(該物理地址來自于command line的earlycon=XXX)，然后通過向bm_pte寫入頁表，即可以完成映射。
圖8是函數調用關系。圖9是頁表的建立和轉換過程。
3.4 fixmap在device-tree應用介紹
3.4.1 映射過程分析
Device-tree的映射和early-console、early-ioremap的映射原理有所不同，主要區(qū)別在于FIX_FDT空間對應的虛擬地址的pmd entry與FIXADDR_START對應的pmd entry是不同的。
通過分析kernel代碼可知對于device-tree的映射需要建立一個2M的block entry即可，即在bm_pmd建立一個block entry。
如下圖10所示，只需要找到pmdp，寫入block entry的頁表項即可。
那問題來了，pmdp的虛擬地址我們是知道的，對應的bm_pmd的entry的物理地址也能知道，但是兩者之間的頁表還未建立。
因此在用pmdp指針向bm_pmd寫入block entry之前，必須要先建立pmdp的頁表，這個頁表建立過程就與early console的頁表建立過程相同了。見下圖11所示。
設備樹頁表的建立會調用到init_pmd()建立block entry，也就是下圖12圈2對應的代碼，圈1的代碼就是對應上圖11給pmdp建立頁表的過程。
在寫入block entry之后，pmdp也就無用了，圈3代碼把剛才的pmdp的頁表清除了，即把bm_pte對應的表項清除了。
最后再簡單展示一下fixmap為設備樹建立頁表的函數調用關系，如下圖13所示。
3.5fixmap在paging_init中頁表切換介紹
3.5.1 paging_init函數簡單分析
下圖14是paging_init的代碼分析。
圈1代碼通過memblock分配器分配了一個物理頁面，該頁面暫存后面代碼建立的頁表；
圈2代碼是通過fixmp機制把這個物理頁面映射為虛擬地址；
圈3代碼把kernel的鏡像的一些代碼段、數據做等做映射，在圖1有說明；
圈4代碼把memblock.memory類型的region區(qū)域做線性映射，比如設備樹的memory節(jié)點的內存，會在此做線性映射，但是會排除代碼段和只讀數據段，具體細節(jié)，還請看源碼；
圈5~圈7代碼將暫存頁表內容拷貝到swapper_pg_dir，同時切換ttbr寄存器，此后CPU發(fā)出的虛擬地址就可以通過這套新建的頁表進行虛實轉換了；
圈8清除pgdp的映射；
圈9代碼釋放剛才申請的物理頁；
3.5.2 paging_init中的fixmap
上圖 圈6代碼是把臨時頁表拷貝到swapper_pg_dir，臨時頁表的物理頁是memblock分配器獲得的物理地址。
由于mmu已經開啟，memcpy無法使用物理地址，所以必須要先用fixmap機制做該物理頁面的映射，得到其虛擬地址，即pgd_set_fixmap(addr)，其定義如下：
其是借助于fixmp的“FIX_PGD”區(qū)域做的映射，頁表映射及轉換過程如下圖15所示。
04、小結
在進入start_kernel之前，head.S的“__primary_switch”已經開啟mmu了，使能mmu之后CPU發(fā)出的ldr、str指令都為虛擬地址了，因此必須要提前建立好頁表，mmu才能把虛擬地址轉為物理地址，以訪問真正的物理內存；
Fixmap用于在” earlyconsole”、” device-tree的解析”、” earlyioremap”、” paging_init的頁表切換”等過程建立臨時頁表。
Fixmap機制實際就是為mmu做了相關的虛擬和物理地址的映射；
Bm_pmd、bm_pte是兩個全局數組，用于存放pmd、pte的頁表項；
05、參考文獻
https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/11483948.html
https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/11440957.html
https://www.cnblogs.com/pengdonglin137/p/9157639.html
