鴻蒙輕內核A核源碼分析系列之虛實映射（2）虛實映射初始化

作者：zhushangyuan_ 2021-12-02 15:08:23

虛實映射其實就是一個建立頁表的過程。MMU支持多級頁表，LiteOS-A內核采用二級頁表描述進程空間。首先介紹下一級頁表和二級頁表。

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2、虛擬映射初始化

在文件kernel/base/vm/los_vm_boot.c中的系統內存初始化函數OsSysMemInit()會調用虛實映射初始化函數OsInitMappingStartUp()。該函數代碼定義在文件arch/arm/arm/src/los_arch_mmu.c，代碼如下。

⑴處函數使TLB失效，清理虛實映射緩存數據，涉及些cp15寄存器和匯編，后續再分析。

⑵處函數切換到臨時TTB。

⑶處設置內核地址空間的映射。下面分別詳細這些函數代碼。

VOID OsInitMappingStartUp(VOID) 
{ 
⑴   OsArmInvalidateTlbBarrier(); 
 
⑵   OsSwitchTmpTTB(); 
 
⑶  OsSetKSectionAttr(KERNEL_VMM_BASE, FALSE); 
    OsSetKSectionAttr(UNCACHED_VMM_BASE, TRUE); 
    OsKSectionNewAttrEnable(); 
}

2.1 函數OsSwitchTmpTTB

函數OsSwitchTmpTTB申請16KiB的內存存放L1頁表項數據，把頁表項數據從g_firstPageTable復制到申請的內存區域。⑴處獲取內核地址空間。L1頁表由4096個頁表項組成，每個4KiB，共需要16KiB大小。所以⑵處代碼按16KiB對齊申請16KiB大小的內存區域存放L1頁表項。⑶處設置內核虛擬內存地址空間的轉換表基地址TTB。⑷處把g_firstPageTable頁表數據復制到內核地址空間的轉換表區域。如果復制失敗，則直接使用g_firstPageTable。⑸處設置內核虛擬地址空間的TTB轉換地址對應的物理內存地址，然后調用函數OsArmWriteTtbr0寫入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 函數OsSetKSectionAttr

內部函數OsSetKSectionAttr用于設置內核虛擬地址空間的區間屬性，分別針對內核虛擬地址空間的內核區間[KERNEL_ASPACE_BASE,KERNEL_ASPACE_BASE+KERNEL_ASPACE_SIZE]和未緩存區間[UNCACHED_VMM_BASE,UNCACHED_VMM_BASE+UNCACHED_VMM_SIZE]進行設置。內核虛擬地址空間是固定映射到物理內存的，內核地址空間的映射包含代碼段、數據段、堆棧區間映射，如下示意圖所示：

鴻蒙輕內核A核源碼分析系列五虛實映射（2）虛實映射初始化-鴻蒙HarmonyOS技術社區

⑴處計算相對內核虛擬地址空間基地址KERNEL_VMM_BASE的偏移大小。⑵處先計算相對偏移值的text、rodata、data_bss段的虛擬內存地址，然后創建這些段的虛實映射關系數組mmuKernelMappings。⑶處設置內核虛擬地址區間的虛擬轉換基地址TTB和物理轉換基地址TTB。然后解除虛擬地址virtAddr的虛實映射，解除映射的長度就是代碼段、只讀數據段、數據BSS段這些內存段的長度。⑷處按指定的標簽flags對text代碼段之前的內存區間進行虛實映射。⑸處映射text代碼段、rodata只讀數據段、data_bss數據段的內存區間，并調用函數LOS_VmSpaceReserve在進程空間中預定地址區間。⑹是BSS段后面的heap區、stack區的映射，映射虛擬地址空間的內存堆棧區間到對應的物理內存區間。

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); 
}

2.3 函數OsKSectionNewAttrEnable

函數OsKSectionNewAttrEnable設置虛實地址的轉換表基地址TTB并清楚TLB緩存。⑴處獲取內核虛擬進程空間，⑵處設置進程空間MMU的虛擬地址轉換表基地址TTB，然后查詢到物理內存地址并設置物理內存地址轉換表基地址。⑶處從CP15 C2寄存器讀取TTB地址，取高20位。⑷處將內核物理內存頁表基地址寫入CP15 c2 TTB寄存器。⑸處清空TLB緩沖區，然后釋放內存。涉及到了MMU寄存器，后續系列會專門詳細講解。

STATIC VOID OsKSectionNewAttrEnable(VOID) 
{ 
⑴  LosVmSpace *kSpace = LOS_GetKVmSpace(); 
    paddr_t oldTtPhyBase; 
 
⑵  kSpace->archMmu.virtTtb = (PTE_T *)g_firstPageTable; 
    kSpace->archMmu.physTtb = LOS_PaddrQuery(kSpace->archMmu.virtTtb); 
 
    /* we need free tmp ttbase */ 
⑶  oldTtPhyBase = OsArmReadTtbr0(); 
    oldTtPhyBase = oldTtPhyBase & MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_FRAME; 
⑷  OsArmWriteTtbr0(kSpace->archMmu.physTtb | MMU_TTBRx_FLAGS); 
    ISB; 
 
    /* we changed page table entry, so we need to clean TLB here */ 
⑸  OsCleanTLB(); 
 
    (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, (VOID *)(UINTPTR)(oldTtPhyBase - SYS_MEM_BASE + KERNEL_VMM_BASE)); 
}