Linux物理内存初始化
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2020-10-12 10:15
背景
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
让我们思考几个朴素的问题?
系统是怎么知道物理内存的?
在内存管理真正初始化之前,内核的代码执行需要分配内存该怎么处理?
我们先来尝试回答第一个问题,看过dts
文件的同学应该见过memory
的节点,以arch/arm64/boot/dts/freescale/fsl-ls208xa.dtsi
为例:
memory@80000000 {
device_type = "memory";
reg = <0x00000000 0x80000000 0 0x80000000>;
/* DRAM space - 1, size : 2 GB DRAM */
};
这个节点描述了内存的起始地址及大小,事实上内核在解析dtb
文件时会去读取该memory
节点的内容,从而将检测到的内存注册进系统。
那么新的问题又来了?Uboot会将kernel image
和dtb
拷贝到内存中,并且将dtb物理地址
告知kernel
,kernel
需要从该物理地址上读取到dtb
文件并解析,才能得到最终的内存信息,dtb
的物理地址需要映射到虚拟地址上才能访问,但是这个时候paging_init
还没有调用,也就是说物理地址的映射还没有完成,那该怎么办呢?没错,Fixed map
机制出现了。
第二个问题答案:当所有物理内存添加进系统后,在mm_init
之前,系统会使用memblock
模块来对内存进行管理。
开启探索之旅吧!
2. early_fixmap_init
简单来说,Fixed map
指的是虚拟地址中的一段区域,在该区域中所有的线性地址是在编译阶段就确定好的,这些虚拟地址需要在boot
阶段去映射到物理地址上。
来张图片看看虚拟地址空间:
图中fixed: 0xffffffbefe7fd000 - 0xffffffbefec00000
,描述的就是Fixed map
的区域。
那么这段区域中的详细一点的布局是怎样呢?看看arch/arm64/include/asm/fixmap.h
中的enum fixed_address
结构就清晰了,图来了:
从图中可以看出,如果要访问DTB
所在的物理地址,那么需要将该物理地址映射到Fixed map
中的区域,然后访问该区域中的虚拟地址即可。访问IO
空间也是一样的道理,下文也会讲述到。
那么来看看early_fixmap_init
函数的关键代码吧:
void __init early_fixmap_init(void)
{
pgd_t *pgd;
pud_t *pud;
pmd_t *pmd;
unsigned long addr = FIXADDR_START; /* (1) */
pgd = pgd_offset_k(addr); /* (2) */
if (CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 3 &&
!(pgd_none(*pgd) || pgd_page_paddr(*pgd) == __pa_symbol(bm_pud))) {
/*
* We only end up here if the kernel mapping and the fixmap
* share the top level pgd entry, which should only happen on
* 16k/4 levels configurations.
*/
BUG_ON(!IS_ENABLED(CONFIG_ARM64_16K_PAGES));
pud = pud_offset_kimg(pgd, addr);
} else {
if (pgd_none(*pgd))
__pgd_populate(pgd, __pa_symbol(bm_pud), PUD_TYPE_TABLE); /* (3) */
pud = fixmap_pud(addr);
}
if (pud_none(*pud))
__pud_populate(pud, __pa_symbol(bm_pmd), PMD_TYPE_TABLE); /* (4) */
pmd = fixmap_pmd(addr);
__pmd_populate(pmd, __pa_symbol(bm_pte), PMD_TYPE_TABLE); /* (5) */
......
}
关键点:
FIXADDR_START
,定义了Fixed map
区域的起始地址,位于arch/arm64/include/asm/fixmap.h
中;pgd_offset_k(addr)
,获取addr
地址对应pgd全局页表中的entry
,而这个pgd全局页表正是swapper_pg_dir
全局页表;将
bm_pud
的物理地址写到pgd全局页目录表中;将
bm_pmd
的物理地址写到pud页目录表中;将
bm_pte
的物理地址写到pmd页表目录表中;
bm_pud/bm_pmd/bm_pte
是三个全局数组,相当于是中间的页表,存放各级页表的entry
,定义如下:
static pte_t bm_pte[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;
static pmd_t bm_pmd[PTRS_PER_PMD] __page_aligned_bss __maybe_unused;
static pud_t bm_pud[PTRS_PER_PUD] __page_aligned_bss __maybe_unused;
事实上,early_fixmap_init
只是建立了一个映射的框架,具体的物理地址和虚拟地址的映射没有去填充,这个是由使用者具体在使用时再去填充对应的pte entry
。比如像fixmap_remap_fdt()
函数,就是典型的填充pte entry
的过程,完成最后的一步映射,然后才能读取dtb
文件。
来一张图片就懂了,是透彻的懂了:
3. early_ioremap_init
如果在boot早期需要操作IO设备
的话,那么ioremap
就用上场了,由于跟实际的内存管理关系不太大,不再太深入的分析。
简单来说,ioremap
的空间为7 * 256K
的区域,保存在slot_vir[]
数组中,当需要进行IO操作的时候,最终会调用到__early_ioremap
函数,在该函数中去填充对应的pte entry
,从而完成最终的虚拟地址和物理地址的映射。
4. memblock
上文讲的内容都只是铺垫,为了能正确访问DTB
文件并且解析得到物理地址信息。从入口到最终添加的调用过程如下图:
所以,这个章节的重点就是memblock
模块,这个是早期的内存分配管理器,我不禁想起了之前在Nuttx
中的内存池实现了,细节已然不太清晰了,但是框架性的思维都大同小异。
4.1 结构体
总共由三个数据结构来描述:
struct memblock
定义了一个全局变量,用来维护所有的物理内存;struct memblock_type
代表系统中的内存类型,包括实际使用的内存和保留的内存;struct memblock_region
用来描述具体的内存区域,包含在struct memblock_type
中的regions
数组中,最多可以存放128个。
直接上个代码吧:
static struct memblock_region memblock_memory_init_regions[INIT_MEMBLOCK_REGIONS] __initdata_memblock;
static struct memblock_region memblock_reserved_init_regions[INIT_MEMBLOCK_REGIONS] __initdata_memblock;
#ifdef CONFIG_HAVE_MEMBLOCK_PHYS_MAP
static struct memblock_region memblock_physmem_init_regions[INIT_PHYSMEM_REGIONS] __initdata_memblock;
#endif
struct memblock memblock __initdata_memblock = {
.memory.regions = memblock_memory_init_regions,
.memory.cnt = 1, /* empty dummy entry */
.memory.max = INIT_MEMBLOCK_REGIONS,
.memory.name = "memory",
.reserved.regions = memblock_reserved_init_regions,
.reserved.cnt = 1, /* empty dummy entry */
.reserved.max = INIT_MEMBLOCK_REGIONS,
.reserved.name = "reserved",
#ifdef CONFIG_HAVE_MEMBLOCK_PHYS_MAP
.physmem.regions = memblock_physmem_init_regions,
.physmem.cnt = 1, /* empty dummy entry */
.physmem.max = INIT_PHYSMEM_REGIONS,
.physmem.name = "physmem",
#endif
.bottom_up = false,
.current_limit = MEMBLOCK_ALLOC_ANYWHERE,
};
定义的memblock
为全局变量,在定义的时候就进行了初始化。初始化的时候,regions
指向的也是静态全局的数组,其中数组的大小为INIT_MEMBLOCK_REGIONS
,也就是128个,限制了这些内存块的个数了,实际在代码中可以看到,当超过这个数值时,数组会以2倍的速度动态扩大。
初始化完了后,大体是这个样子的:
4.2 memblock_add/memblock_remove
memblock
子模块,基本的逻辑都是围绕内存的添加和移除操作来展开,最终是通过调用memblock_add_range/memblock_remove_range
来实现的。
memblock_add_range
:
图中的左侧是函数的执行流程图,执行效果是右侧部分。右侧部分画的是一个典型的情况,实际的情况可能有多种,但是核心的逻辑都是对插入的region
进行判断,如果出现了物理地址范围重叠的部分,那就进行split
操作,最终对具有相同flag
的region
进行merge
操作。
memblock_remove_range
该函数执行的一个典型case效果如下图所示:假如现在需要移除掉一片区域,而该区域跨越了多个region
,则会先调用memblock_isolate_range
来对这片区域进行切分,最后再调用memblock_isolate_range
对区域范围内的region
进行移除操作。
当调用memblock_alloc
函数进行地址分配时,最后也是调用memblock_add_range
来实现的,申请的这部分内存最终会添加到reserved
类型中,毕竟已经分配出去了,其他人也不应该使用了。
5. arm64_memblock_init
当物理内存都添加进系统之后,arm64_memblock_init
会对整个物理内存进行整理,主要的工作就是将一些特殊的区域添加进reserved
内存中。函数执行完后,如下图所示:
其中浅绿色的框表示的都是保留的内存区域, 剩下的部分就是可以实际去使用的内存了。
物理内存大体面貌就有了,后续就需要进行内存的页表映射,完成实际的物理地址到虚拟地址的映射了。