Linux物理内存初始化
背景
Read the fucking source code! ?--By 魯迅
A picture is worth a thousand words. --By 高爾基
說(shuō)明：
Kernel版本：4.14
ARM64處理器，Contex-A53，雙核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 介紹
讓我們思考幾個(gè)樸素的問(wèn)題？
系統(tǒng)是怎么知道物理內(nèi)存的？
在內(nèi)存管理真正初始化之前，內(nèi)核的代碼執(zhí)行需要分配內(nèi)存該怎么處理？
我們先來(lái)嘗試回答第一個(gè)問(wèn)題，看過(guò)dts文件的同學(xué)應(yīng)該見(jiàn)過(guò)memory的節(jié)點(diǎn)，以arch/arm64/boot/dts/freescale/fsl-ls208xa.dtsi為例：
memory@80000000 {device_type = "memory";reg = <0x00000000 0x80000000 0 0x80000000>;/* DRAM space - 1, size : 2 GB DRAM */};這個(gè)節(jié)點(diǎn)描述了內(nèi)存的起始地址及大小，事實(shí)上內(nèi)核在解析dtb文件時(shí)會(huì)去讀取該memory節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容，從而將檢測(cè)到的內(nèi)存注冊(cè)進(jìn)系統(tǒng)。
那么新的問(wèn)題又來(lái)了？Uboot會(huì)將kernel image和dtb拷貝到內(nèi)存中，并且將dtb物理地址告知kernel，kernel需要從該物理地址上讀取到dtb文件并解析，才能得到最終的內(nèi)存信息，dtb的物理地址需要映射到虛擬地址上才能訪(fǎng)問(wèn)，但是這個(gè)時(shí)候paging_init還沒(méi)有調(diào)用，也就是說(shuō)物理地址的映射還沒(méi)有完成，那該怎么辦呢？沒(méi)錯(cuò)，Fixed map機(jī)制出現(xiàn)了。
第二個(gè)問(wèn)題答案：當(dāng)所有物理內(nèi)存添加進(jìn)系統(tǒng)后，在mm_init之前，系統(tǒng)會(huì)使用memblock模塊來(lái)對(duì)內(nèi)存進(jìn)行管理。
開(kāi)啟探索之旅吧！
2. early_fixmap_init
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Fixed map指的是虛擬地址中的一段區(qū)域，在該區(qū)域中所有的線(xiàn)性地址是在編譯階段就確定好的，這些虛擬地址需要在boot階段去映射到物理地址上。?
來(lái)張圖片看看虛擬地址空間：
圖中fixed: 0xffffffbefe7fd000 - 0xffffffbefec00000，描述的就是Fixed map的區(qū)域。
那么這段區(qū)域中的詳細(xì)一點(diǎn)的布局是怎樣呢？看看arch/arm64/include/asm/fixmap.h中的enum fixed_address結(jié)構(gòu)就清晰了，圖來(lái)了：
從圖中可以看出，如果要訪(fǎng)問(wèn)DTB所在的物理地址，那么需要將該物理地址映射到Fixed map中的區(qū)域，然后訪(fǎng)問(wèn)該區(qū)域中的虛擬地址即可。訪(fǎng)問(wèn)IO空間也是一樣的道理，下文也會(huì)講述到。
那么來(lái)看看early_fixmap_init函數(shù)的關(guān)鍵代碼吧：
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) */ ...... }關(guān)鍵點(diǎn)：
FIXADDR_START，定義了Fixed map區(qū)域的起始地址，位于arch/arm64/include/asm/fixmap.h中；
pgd_offset_k(addr)，獲取addr地址對(duì)應(yīng)pgd全局頁(yè)表中的entry，而這個(gè)pgd全局頁(yè)表正是swapper_pg_dir全局頁(yè)表；
將bm_pud的物理地址寫(xiě)到pgd全局頁(yè)目錄表中；
將bm_pmd的物理地址寫(xiě)到pud頁(yè)目錄表中；
將bm_pte的物理地址寫(xiě)到pmd頁(yè)表目錄表中；
bm_pud/bm_pmd/bm_pte是三個(gè)全局?jǐn)?shù)組，相當(dāng)于是中間的頁(yè)表，存放各級(jí)頁(yè)表的entry，定義如下：
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;事實(shí)上，early_fixmap_init只是建立了一個(gè)映射的框架，具體的物理地址和虛擬地址的映射沒(méi)有去填充，這個(gè)是由使用者具體在使用時(shí)再去填充對(duì)應(yīng)的pte entry。比如像fixmap_remap_fdt()函數(shù)，就是典型的填充pte entry的過(guò)程，完成最后的一步映射，然后才能讀取dtb文件。
來(lái)一張圖片就懂了，是透徹的懂了：
3. early_ioremap_init
如果在boot早期需要操作IO設(shè)備的話(huà)，那么ioremap就用上場(chǎng)了，由于跟實(shí)際的內(nèi)存管理關(guān)系不太大，不再太深入的分析。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，ioremap的空間為7 * 256K的區(qū)域，保存在slot_vir[]數(shù)組中，當(dāng)需要進(jìn)行IO操作的時(shí)候，最終會(huì)調(diào)用到__early_ioremap函數(shù)，在該函數(shù)中去填充對(duì)應(yīng)的pte entry，從而完成最終的虛擬地址和物理地址的映射。
4. memblock
上文講的內(nèi)容都只是鋪墊，為了能正確訪(fǎng)問(wèn)DTB文件并且解析得到物理地址信息。從入口到最終添加的調(diào)用過(guò)程如下圖：
所以，這個(gè)章節(jié)的重點(diǎn)就是memblock模塊，這個(gè)是早期的內(nèi)存分配管理器，我不禁想起了之前在Nuttx中的內(nèi)存池實(shí)現(xiàn)了，細(xì)節(jié)已然不太清晰了，但是框架性的思維都大同小異。
4.1 結(jié)構(gòu)體
總共由三個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述：
struct memblock定義了一個(gè)全局變量，用來(lái)維護(hù)所有的物理內(nèi)存；
struct memblock_type代表系統(tǒng)中的內(nèi)存類(lèi)型，包括實(shí)際使用的內(nèi)存和保留的內(nèi)存；
struct memblock_region用來(lái)描述具體的內(nèi)存區(qū)域，包含在struct memblock_type中的regions數(shù)組中，最多可以存放128個(gè)。
直接上個(gè)代碼吧：
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; #endifstruct 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, };定義的memblock為全局變量，在定義的時(shí)候就進(jìn)行了初始化。初始化的時(shí)候，regions指向的也是靜態(tài)全局的數(shù)組，其中數(shù)組的大小為INIT_MEMBLOCK_REGIONS，也就是128個(gè)，限制了這些內(nèi)存塊的個(gè)數(shù)了，實(shí)際在代碼中可以看到，當(dāng)超過(guò)這個(gè)數(shù)值時(shí)，數(shù)組會(huì)以2倍的速度動(dòng)態(tài)擴(kuò)大。
初始化完了后，大體是這個(gè)樣子的：
4.2 memblock_add/memblock_remove
memblock子模塊，基本的邏輯都是圍繞內(nèi)存的添加和移除操作來(lái)展開(kāi)，最終是通過(guò)調(diào)用memblock_add_range/memblock_remove_range來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
memblock_add_range：
圖中的左側(cè)是函數(shù)的執(zhí)行流程圖，執(zhí)行效果是右側(cè)部分。右側(cè)部分畫(huà)的是一個(gè)典型的情況，實(shí)際的情況可能有多種，但是核心的邏輯都是對(duì)插入的region進(jìn)行判斷，如果出現(xiàn)了物理地址范圍重疊的部分，那就進(jìn)行split操作，最終對(duì)具有相同flag的region進(jìn)行merge操作。
memblock_remove_range
該函數(shù)執(zhí)行的一個(gè)典型case效果如下圖所示：假如現(xiàn)在需要移除掉一片區(qū)域，而該區(qū)域跨越了多個(gè)region，則會(huì)先調(diào)用memblock_isolate_range來(lái)對(duì)這片區(qū)域進(jìn)行切分，最后再調(diào)用memblock_isolate_range對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)的region進(jìn)行移除操作。
當(dāng)調(diào)用memblock_alloc函數(shù)進(jìn)行地址分配時(shí)，最后也是調(diào)用memblock_add_range來(lái)實(shí)現(xiàn)的，申請(qǐng)的這部分內(nèi)存最終會(huì)添加到reserved類(lèi)型中，畢竟已經(jīng)分配出去了，其他人也不應(yīng)該使用了。
5. arm64_memblock_init
當(dāng)物理內(nèi)存都添加進(jìn)系統(tǒng)之后，arm64_memblock_init會(huì)對(duì)整個(gè)物理內(nèi)存進(jìn)行整理，主要的工作就是將一些特殊的區(qū)域添加進(jìn)reserved內(nèi)存中。函數(shù)執(zhí)行完后，如下圖所示：
其中淺綠色的框表示的都是保留的內(nèi)存區(qū)域， 剩下的部分就是可以實(shí)際去使用的內(nèi)存了。
物理內(nèi)存大體面貌就有了，后續(xù)就需要進(jìn)行內(nèi)存的頁(yè)表映射，完成實(shí)際的物理地址到虛擬地址的映射了。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Linux物理内存初始化的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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