鸿蒙轻内核A核源码分析系列五（1） 虚实映射
虚实映射是指系统通过内存管理单元（MMU，Memory Management Unit）将进程空间的虚拟地址(VA)与实际的物理地址(PA)做映射，并指定相应的访问权限、缓存属性等。程序执行时，CPU访问的是虚拟内存，通过MMU找到映射的物理内存，并做相应的代码执行或数据读写操作。MMU的映射由页表（Page Table）来描述，其中保存虚拟地址和物理地址的映射关系以及访问权限等。每个进程在创建的时候都会创建一个页表，页表由一个个页表条目（Page Table Entry， PTE）构成，每个页表条目描述虚拟地址区间与物理地址区间的映射关系。页表数据在内存区域存储位置的开始地址叫做转换表基地址（translation table base，ttb）。MMU中有一块页表缓存，称为快表（TLB, Translation Lookaside Buffers），做地址转换时，MMU首先在TLB中查找，如果找到对应的页表条目可直接进行转换，提高了查询效率。
本文中所涉及的源码，以OpenHarmony LiteOS-A内核为例，均可以在开源站点https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_a 获取。如果涉及开发板，则默认以hispark_taurus为例。MMU相关的操作函数主要在文件arch/arm/arm/src/los_arch_mmu.c中定义。
虚实映射其实就是一个建立页表的过程。MMU支持多级页表，LiteOS-A内核采用二级页表描述进程空间。首先介绍下一级页表和二级页表。
1、一级页表L1和二级页表L2
L1页表将全部的4GiB地址空间划分为4096份，每份大小1MiB。每份对应一个32位的页表项，内容是L2页表基地址或某个1MiB物理内存的基地址。内存的高12位记录页号，用于对页表项定位，也就是4096个页面项的索引；低20位记录页内偏移值，虚实地址页内偏移值相等。使用虚拟地址中的虚拟页号查询页表得到对应的物理页号，然后与虚拟地址中的页内位移组成物理地址。
对于用户进程，每个一级页表条目描述符占用4个字节，可表示1MiB的内存空间的映射关系，即1GiB用户空间（LiteOS-A内核中用户空间占用1GiB）的虚拟内存空间需要1024个。系统创建用户进程时，在内存中申请一块4KiB大小的内存块作为一级页表的存储区域，系统根据当前进程的需要会动态申请内存作为二级页表的存储区域。现在我们就知道，在虚拟内存章节，用户进程虚拟地址空间初始化函数OsCreateUserVmSpace申请了4KiB的内存作为页表存储区域的依据了。每个用户进程需要申请字节的页表地址，对于内核进程，页表存储区域是固定的，即UINT8 g_firstPageTable[0x4000]，大小为16KiB。
L1页表项的低2位用于定义页表项的类型，页表描述符类型有如下3种：
-
Invalid 无效页表项，虚拟地址没有映射到物理地址，访问会产生缺页异常；
-
Page Table 指向L2页表的页表项；
-
Section Section页表项对应1M的节，直接使用页表项的最高12位替代虚拟地址的高12位即可得到物理地址。
L2页表把1MiB的地址范围按4KiB的内存页大小继续分成256个小页。内存的高20位记录页号，用于对页表项定位；低12位记录页内偏移值，虚实地址页内偏移值相等。使用虚拟地址中的虚拟页号查询页表得到对应的物理页号，然后与虚拟地址中的页内位移组成物理地址。每个L2页表项将4K的虚拟内存地址转换为物理地址。
L2页表描述符类型有如下4种：
-
Invalid 无效页表项，虚拟地址没有映射到物理地址，访问会产生缺页异常；
-
Large Page 大页表项，支持64Kib大页，暂不支持；
-
Small Page 小页表项，支持4Kib小页的二级页表映射；
-
Small Page XN 小页表项扩展。
在文件arch/arm/arm/include/los_mmu_descriptor_v6.h中定义了页表的描述符类型，代码如下：
/* L1 descriptor type */
#define MMU_DESCRIPTOR_L1_TYPE_INVALID (0x0 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L1_TYPE_PAGE_TABLE (0x1 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L1_TYPE_SECTION (0x2 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L1_TYPE_MASK (0x3 << 0)
/* L2 descriptor type */
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_INVALID (0x0 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_LARGE_PAGE (0x1 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_SMALL_PAGE (0x2 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_SMALL_PAGE_XN (0x3 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_MASK (0x3 << 0)
1.2 页表项操作
在文件arch/arm/arm/include/los_pte_ops.h定义了页表项相关的操作。
1.2.1 函数OsGetPte1
函数OsGetPte1用于获取指定虚拟地址对应的L1页表项地址。L1页表项地址由页表项基地址加上页表项索引组成，其中页表项索引等于虚拟地址的高12位。
STATIC INLINE UINT32 OsGetPte1Index(vaddr_t va)
{
return va >> MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_SHIFT;
}
STATIC INLINE PTE_T *OsGetPte1Ptr(PTE_T *pte1BasePtr, vaddr_t va)
{
return (pte1BasePtr + OsGetPte1Index(va));
}
STATIC INLINE PTE_T OsGetPte1(PTE_T *pte1BasePtr, vaddr_t va)
{
return *OsGetPte1Ptr(pte1BasePtr, va);
}
1.2.2 函数OsGetPte2
函数OsGetPte2用于获取指定虚拟地址对应的L2页表项地址。L2页表项地址由页表项基地址加上页表项索引组成，其中页表项索引等于虚拟地址对1MiB取余后的高20位。(为啥va % MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_SIZE取余？TODO)。
STATIC INLINE UINT32 OsGetPte2Index(vaddr_t va)
{
return (va % MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_SIZE) >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT;
}
STATIC INLINE PTE_T OsGetPte2(PTE_T *pte2BasePtr, vaddr_t va)
{
return *(pte2BasePtr + OsGetPte2Index(va));
}
2、 虚拟映射初始化
在文件kernel/base/vm/los_vm_boot.c的系统内存初始化函数OsSysMemInit()会调用虚实映射初始化函数OsInitMappingStartUp()。代码定义在arch/arm/arm/src/los_arch_mmu.c，代码如下。⑴处函数使TLB失效，涉及些cp15寄存器和汇编，后续再分析。⑵处函数切换到临时TTV。⑶处设置内核地址空间的映射。下面分别详细这些函数代码。
VOID OsInitMappingStartUp(VOID)
{
⑴ OsArmInvalidateTlbBarrier();
⑵ OsSwitchTmpTTB();
⑶ OsSetKSectionAttr(KERNEL_VMM_BASE, FALSE);
OsSetKSectionAttr(UNCACHED_VMM_BASE, TRUE);
OsKSectionNewAttrEnable();
}
2.1 函数OsSwitchTmpTTB
⑴处获取内核地址空间。L1页表项由4096个页表项组成，每个4Kib，共需要16Kib大小。所以⑵处代码按16Kib对齐申请16Kib大小的内存存放L1页表项。⑶处设置内核虚拟内存地址空间的转换表基地址（translation table base，ttb）。⑷处把g_firstPageTable数据复制到内核地址空间的转换表。如果复制失败，则直接使用g_firstPageTable。⑸处设置内核虚拟地址空间的物理内存基地址，然后写入MMU寄存器。
STATIC VOID OsSwitchTmpTTB(VOID)
{
PTE_T *tmpTtbase = NULL;
errno_t err;
⑴ LosVmSpace *kSpace = LOS_GetKVmSpace();
/* ttbr address should be 16KByte align */
⑵ tmpTtbase = LOS_MemAllocAlign(m_aucSysMem0, MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_ENTRY_NUMBERS,
MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_ENTRY_NUMBERS);
if (tmpTtbase == NULL) {
VM_ERR("memory alloc failed");
return;
}
⑶ kSpace->archMmu.virtTtb = tmpTtbase;
⑷ err = memcpy_s(kSpace->archMmu.virtTtb, MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_ENTRY_NUMBERS,
g_firstPageTable, MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_ENTRY_NUMBERS);
if (err != EOK) {
(VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, tmpTtbase);
kSpace->archMmu.virtTtb = (VADDR_T *)g_firstPageTable;
VM_ERR("memcpy failed, errno: %d", err);
return;
}
⑸ kSpace->archMmu.physTtb = LOS_PaddrQuery(kSpace->archMmu.virtTtb);
OsArmWriteTtbr0(kSpace->archMmu.physTtb | MMU_TTBRx_FLAGS);
ISB;
}
2.2 函数OsSetKSectionAttr
内部函数OsSetKSectionAttr用与设置内核虚拟地址空间段的属性，分别针对[KERNEL_ASPACE_BASE,KERNEL_ASPACE_BASE+KERNEL_ASPACE_SIZE]和[UNCACHED_VMM_BASE,UNCACHED_VMM_BASE+UNCACHED_VMM_SIZE]进行设置。内核虚拟地址空间是固定映射到物理内存的。
⑴处计算相对内核虚拟地址空间基地址的偏移。⑵处先计算相对偏移值的text、rodata、data_bss段的虚拟内存地址，然后创建这些段的虚实映射关系。⑶处设置内核虚拟地址区间的虚拟转换基地址和物理转换基地址。然后解除虚拟地址的虚实映射。⑷处按指定的标签对text段之前的内存区间进行虚实映射。⑸处映射text、rodata、data_bss段的内存区间，并调用函数LOS_VmSpaceReserve在进程空间中保留一段地址区间（为啥保留 TODO？）。⑹是BSS段后面的heap区，映射虚拟地址空间的内存堆区间。
STATIC VOID OsSetKSectionAttr(UINTPTR virtAddr, BOOL uncached)
{
⑴ UINT32 offset = virtAddr - KERNEL_VMM_BASE;
/* every section should be page aligned */
⑵ UINTPTR textStart = (UINTPTR)&__text_start + offset;
UINTPTR textEnd = (UINTPTR)&__text_end + offset;
UINTPTR rodataStart = (UINTPTR)&__rodata_start + offset;
UINTPTR rodataEnd = (UINTPTR)&__rodata_end + offset;
UINTPTR ramDataStart = (UINTPTR)&__ram_data_start + offset;
UINTPTR bssEnd = (UINTPTR)&__bss_end + offset;
UINT32 bssEndBoundary = ROUNDUP(bssEnd, MB);
LosArchMmuInitMapping mmuKernelMappings[] = {
{
.phys = SYS_MEM_BASE + textStart - virtAddr,
.virt = textStart,
.size = ROUNDUP(textEnd - textStart, MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SIZE),
.flags = VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_EXECUTE,
.name = "kernel_text"
},
{
.phys = SYS_MEM_BASE + rodataStart - virtAddr,
.virt = rodataStart,
.size = ROUNDUP(rodataEnd - rodataStart, MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SIZE),
.flags = VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ,
.name = "kernel_rodata"
},
{
.phys = SYS_MEM_BASE + ramDataStart - virtAddr,
.virt = ramDataStart,
.size = ROUNDUP(bssEndBoundary - ramDataStart, MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SIZE),
.flags = VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE,
.name = "kernel_data_bss"
}
};
LosVmSpace *kSpace = LOS_GetKVmSpace();
status_t status;
UINT32 length;
int i;
LosArchMmuInitMapping *kernelMap = NULL;
UINT32 kmallocLength;
UINT32 flags;
/* use second-level mapping of default READ and WRITE */
⑶ kSpace->archMmu.virtTtb = (PTE_T *)g_firstPageTable;
kSpace->archMmu.physTtb = LOS_PaddrQuery(kSpace->archMmu.virtTtb);
status = LOS_ArchMmuUnmap(&kSpace->archMmu, virtAddr,
(bssEndBoundary - virtAddr) >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT);
if (status != ((bssEndBoundary - virtAddr) >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT)) {
VM_ERR("unmap failed, status: %d", status);
return;
}
flags = VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_EXECUTE;
if (uncached) {
flags |= VM_MAP_REGION_FLAG_UNCACHED;
}
⑷ status = LOS_ArchMmuMap(&kSpace->archMmu, virtAddr, SYS_MEM_BASE,
(textStart - virtAddr) >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT,
flags);
if (status != ((textStart - virtAddr) >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT)) {
VM_ERR("mmap failed, status: %d", status);
return;
}
⑸ length = sizeof(mmuKernelMappings) / sizeof(LosArchMmuInitMapping);
for (i = 0; i < length; i++) {
kernelMap = &mmuKernelMappings[i];
if (uncached) {
kernelMap->flags |= VM_MAP_REGION_FLAG_UNCACHED;
}
status = LOS_ArchMmuMap(&kSpace->archMmu, kernelMap->virt, kernelMap->phys,
kernelMap->size >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT, kernelMap->flags);
if (status != (kernelMap->size >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT)) {
VM_ERR("mmap failed, status: %d", status);
return;
}
LOS_VmSpaceReserve(kSpace, kernelMap->size, kernelMap->virt);
}
⑹ kmallocLength = virtAddr + SYS_MEM_SIZE_DEFAULT - bssEndBoundary;
flags = VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE;
if (uncached) {
flags |= VM_MAP_REGION_FLAG_UNCACHED;
}
status = LOS_ArchMmuMap(&kSpace->archMmu, bssEndBoundary,
SYS_MEM_BASE + bssEndBoundary - virtAddr,
kmallocLength >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT,
flags);
if (status != (kmallocLength >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT)) {
VM_ERR("mmap failed, status: %d", status);
return;
}
LOS_VmSpaceReserve(kSpace, kmallocLength, bssEndBoundary);
}
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