Linux內(nèi)存初始化如何實(shí)現(xiàn)

創(chuàng)建啟動(dòng)頁(yè)表：

在匯編代碼階段的head.S文件中，負(fù)責(zé)創(chuàng)建映射關(guān)系的函數(shù)是create_page_tables。create_page_tables函數(shù)負(fù)責(zé)identity mapping和kernel image mapping。

• identity map：是指把idmap_text區(qū)域的物理地址映射到相等的虛擬地址上，這種映射完成后，其虛擬地址等于物理地址。idmap_text區(qū)域都是一些打開(kāi)MMU相關(guān)的代碼。
• kernel image map：將kernel運(yùn)行需要的地址（kernel txt、rodata、data、bss等等）進(jìn)行映射。

arch/arm64/kernel/head.S:
ENTRY(stext)
        bl      preserve_boot_args
        bl      el2_setup                       // Drop to EL1, w0=cpu_boot_mode
        adrp    x23, __PHYS_OFFSET
        and     x23, x23, MIN_KIMG_ALIGN - 1    // KASLR offset, defaults to 0
        bl      set_cpu_boot_mode_flag
        bl      __create_page_tables
        /*
         * The following calls CPU setup code, see arch/arm64/mm/proc.S for
         * details.
         * On return, the CPU will be ready for the MMU to be turned on and
         * the TCR will have been set.
         */
        bl      __cpu_setup                     // initialise processor
        b       __primary_switch
ENDPROC(stext)

__create_page_tables主要執(zhí)行的就是identity map和kernel image map：

 __create_page_tables:
......
        create_pgd_entry x0, x3, x5, x6
        mov     x5, x3                          // __pa(__idmap_text_start)
        adr_l   x6, __idmap_text_end            // __pa(__idmap_text_end)
        create_block_map x0, x7, x3, x5, x6

        /*
         * Map the kernel image (starting with PHYS_OFFSET).
         */
        adrp    x0, swapper_pg_dir
        mov_q   x5, KIMAGE_VADDR + TEXT_OFFSET  // compile time __va(_text)
        add     x5, x5, x23                     // add KASLR displacement
        create_pgd_entry x0, x5, x3, x6
        adrp    x6, _end                        // runtime __pa(_end)
        adrp    x3, _text                       // runtime __pa(_text)
        sub     x6, x6, x3                      // _end - _text
        add     x6, x6, x5                      // runtime __va(_end)
        create_block_map x0, x7, x3, x5, x6
 ......

其中調(diào)用create_pgd_entry進(jìn)行PGD及所有中間level(PUD, PMD)頁(yè)表的創(chuàng)建，調(diào)用create_block_map進(jìn)行PTE頁(yè)表的映射。關(guān)于四級(jí)頁(yè)表的關(guān)系如下圖所示，這里就不進(jìn)一步解釋了。

 

匯編結(jié)束后的內(nèi)存映射關(guān)系如下圖所示：

 

當(dāng)執(zhí)行完上面的map之后，MMU就已經(jīng)打開(kāi)了并且開(kāi)始進(jìn)入C代碼運(yùn)行階段，那么下一步就要對(duì)dtb進(jìn)行映射了。

fixmap區(qū)之dtb map：

 

在執(zhí)行setup_arch中，會(huì)最先進(jìn)行early_fixmap_init()，這個(gè)函數(shù)就是用來(lái)map dtb的，但是它只會(huì)建立dtb對(duì)應(yīng)的這段物理地址中間level的頁(yè)表entry，而最后一個(gè)level的頁(yè)表映射則通過(guò)setup_machine_fdt函數(shù)里的fixmap_remap_fdt來(lái)創(chuàng)建。

void *__init fixmap_remap_fdt(phys_addr_t dt_phys)
{
     void *dt_virt;
     int size;

     dt_virt = __fixmap_remap_fdt(dt_phys, &size, PAGE_KERNEL_RO);
     if (!dt_virt)
         return NULL;

     memblock_reserve(dt_phys, size);
     return dt_virt;
 }

fixmap_remap_fdt主要是為fdt建立地址映射，在該函數(shù)的最后，順便就調(diào)用memblock_reserve保留了該段內(nèi)存。

可以看出dtb的映射采用的是fixmap，所謂fixmap就是固定映射，它需要我們明確的知道想要映射的物理地址，并把這段地址映射到想要映射的虛擬地址上。當(dāng)然這里固定映射還有些片面，因?yàn)樵趂ixmap機(jī)制實(shí)現(xiàn)上，也有支持動(dòng)態(tài)分配虛擬地址的功能，這個(gè)功能主要用于臨時(shí)fixmap映射（這個(gè)臨時(shí)映射就是用來(lái)執(zhí)行early ioremap使用的。），而dtb的映射屬于永久映射。

fixmap區(qū)之early ioremap:

對(duì)于一些硬件需要在內(nèi)存管理系統(tǒng)起來(lái)之前就要工作的，我們就可以使用這種機(jī)制來(lái)映射內(nèi)存給這些硬件driver使用。各個(gè)模塊在使用完early ioremap的地址后，需要盡快把這段映射的虛擬地址釋放掉，這樣才能反復(fù)被其他模塊繼續(xù)申請(qǐng)使用。

early_ioremap_init會(huì)調(diào)用early_ioremap_setup：

可見(jiàn)它的實(shí)現(xiàn)是依賴(lài)fixmap的，所以它必須要在early_fixmap_init之后才能運(yùn)行。

注意：如果想要在伙伴系統(tǒng)初始化之前進(jìn)行設(shè)備寄存器的訪問(wèn)，那么可以考慮early IO remap機(jī)制。

至此我們已經(jīng)知道dtb和early ioremap都是在fixmap區(qū)的，如下圖：

 

系統(tǒng)內(nèi)存的布局：

完成dtb的map之后，內(nèi)核可以訪問(wèn)這一段的內(nèi)存了，通過(guò)解析dtb中的內(nèi)容，內(nèi)核可以勾勒出整個(gè)內(nèi)存布局的情況，為后續(xù)內(nèi)存管理初始化奠定基礎(chǔ)。這一步主要在setup_machine_fdt中完成。這里就不看代碼了，其調(diào)用流程是：setup_machine_fdt->early_init_dt_scan->early_init_dt_scan_nodes

 

就像注釋中所示內(nèi)核根據(jù)dtb的不同node勾勒出choosen node，root node，memory node相應(yīng)內(nèi)存區(qū)域。

除了這3個(gè)node，還有一個(gè)reserved-memory node，它是在上面講到dtb map的時(shí)候fixmap_remap_fdt函數(shù)做的。下面我們看下這4個(gè)node的具體實(shí)現(xiàn)。

• choosen node     該節(jié)點(diǎn)有一個(gè)bootargs屬性，該屬性定義了內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)，比如mem= xx，此外，還處理initrd相關(guān)的property，并保存在initrd_start和initrd_end這兩個(gè)全局變量中。
• root node 與內(nèi)存無(wú)關(guān)，暫時(shí)不詳述，以后有機(jī)會(huì)講到device tree系列再詳述。
• memory node    

通過(guò)memblock_add加入到memblock.memory對(duì)應(yīng)的memblock_type鏈表中進(jìn)行管理。

接下來(lái)到arm64_memblock_init函數(shù)：

void __init arm64_memblock_init(void)
{
......
     memblock_reserve(__pa_symbol(_text), _end - _text); 1.kernel image保留區(qū)
 #ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
     if (initrd_start) {
         memblock_reserve(initrd_start, initrd_end - initrd_start); 2.initrd保留區(qū)
         /* the generic initrd code expects virtual addresses */
         initrd_start = __phys_to_virt(initrd_start);
         initrd_end = __phys_to_virt(initrd_end);
     }
 #endif
     early_init_fdt_scan_reserved_mem(); 3.dts中配置為保留的區(qū)域
......
}

• reserve內(nèi)核代碼、數(shù)據(jù)區(qū)等（_text到_end那一段，具體的內(nèi)容可以參考內(nèi)核鏈接腳本）
• 保留initital ramdisk image區(qū)域（從initrd_start到initrd_end區(qū)域）
• reserved-memory node 如下所示：

 

通過(guò)上面的一系列操作，需要?jiǎng)討B(tài)管理的內(nèi)存已經(jīng)被放到了memory type和reserved type這兩個(gè)region中了，現(xiàn)在內(nèi)存已經(jīng)被memblock模塊所管理了，這只是啟動(dòng)后的第一步......