linux armv8 MMU 相关知识学习QA
本文是原「蜗窝讨论区」的历史存档（2016-12-12），来自版块「Linux kernel技术问答」，共 13 帖。讨论区已停止服务，此处仅供查阅。
作为一个嵌入式工程师，平时对MMU相关配置是敬而远之的。因为linux kernel已经做得很完善。我们最经常使用的就是内存申请相关接口。但是越是难懂的东西，说明她的精髓越是掌握在少数人的手里面。为了自己更好的了解ARM V8架构。我决定跟随linuxer的步伐，啃一啃相关的代码。但是我现在是一张白纸，所以经过跟linuxer大哥讨论。我决定把我阅读文章以及文档的相关问题都一一记录下来。这样如果有新人，也对这一块感兴趣。可以查看此贴，希望能有所帮助。
hi linuxer Considering the resolution of the maximum IA range of 48 bits, with a translation granule size of 2n bytes: • The least-significant n bits of the IA address the memory page. This means OA[(n-1):0]=IA[(n-1):0]. • The remaining (48-n) bits of the IA, IA[47:n], must be resolved by the address translation. • A translation table descriptor is 8 bytes. Therefore: — A complete translation table holds 2(n-3) descriptors.(2的n-3 次方) — A single level of translation can resolve a maximum of (n-3) bits of address
n=12/14/16 2的n-3次方，这里不太懂
一个完整的转换表 是什么意思?? 是说一次完整的从IA到OA的转换吗？
我自己的系统一次完整的虚拟地址到物理地址的转换，VA_BITS=39, 4K PAGES,PGTABLE_LEVLE=39
VIRTUAL PHYSICAL
ffffffc000081000 80081000
PAGE DIRECTORY: ffffffc0012a9000========这里是TTBR0_EL1的值吗？ PGD: ffffffc0012a9800 => 1da5fe003====这个PGD得到的值，怎么找到PMD的呢？ PMD: ffffffc15a5fe000 => 80000711 PAGE: 80000000 (2MB)===这里这个PAGE是什么意思？为什么是2MB
PTE PHYSICAL FLAGS 80000711 80000000 (VALID|SHARED|AF)====711就是FLAGS的数值？
PAGE PHYSICAL MAPPING INDEX CNT FLAGS
ffffffbe01c01c38 80081000 0 0 1 400 reserved 最下面这个PAGE又是什么意思呢？
tigger 写道： hi linuxer Considering the resolution of the maximum IA range of 48 bits, with a translation granule size of 2n bytes: • The least-significant n bits of the IA address the memory page. This means OA[(n-1):0]=IA[(n-1):0]. • The remaining (48-n) bits of the IA, IA[47:n], must be resolved by the address translation. • A translation table descriptor is 8 bytes. Therefore: — A complete translation table holds 2(n-3) descriptors.(2的n-3 次方) — A single level of translation can resolve a maximum of (n-3) bits of address
n=12/14/16 2的n-3次方，这里不太懂
对于ARMv8，一个Translation table的size是固定的，就是一个page size，假设其大小是2^n个Byte，一个描述符的大小是8个Byte，也就是2^3，因此一个Translation table可以容纳的描述符的数目是2^(n-3)。
tigger 写道： 一个完整的转换表 是什么意思?? 是说一次完整的从IA到OA的转换吗？
能不能给出上下文？
tigger 写道： 我自己的系统一次完整的虚拟地址到物理地址的转换，VA_BITS=39, 4K PAGES,PGTABLE_LEVLE=39 VIRTUAL PHYSICAL
ffffffc000081000 80081000
PAGE DIRECTORY: ffffffc0012a9000========这里是TTBR0_EL1的值吗？ PGD: ffffffc0012a9800 => 1da5fe003====这个PGD得到的值，怎么找到PMD的呢？ PMD: ffffffc15a5fe000 => 80000711 PAGE: 80000000 (2MB)===这里这个PAGE是什么意思？为什么是2MB
PTE PHYSICAL FLAGS 80000711 80000000 (VALID|SHARED|AF)====711就是FLAGS的数值？
PAGE PHYSICAL MAPPING INDEX CNT FLAGS
ffffffbe01c01c38 80081000 0 0 1 400 reserved 最下面这个PAGE又是什么意思呢？
对于你的系统，映射有两种： 1、PGD(9 bits)--->PMD(9 bits)--->PTE(9 bits)--->PAGE(12 bits) 2、PGD(9 bits)--->PMD(9 bits)--->SECTION(21 bits)
第一个问题：是的，TTBR0_EL1指向了内核空间的PAGE DIRECTORY: ffffffc0012a9000
第三个问题：由于采用了第二种方式的映射，因此PMD中是block descriptor，因此以此mapping了2M size的block，在这个场景中使用PAGE不是太规范
第二个问题和地址映射相关，你给出的地址映射是：
VIRTUAL PHYSICAL
ffffffc000081000 80081000
对虚拟地址0xffffffc000081000 可以进行分解： pgd index：9 bits，100000000（二进制） pmd index：9 bits，000000000（二进制） section offset：21 bits，0x81000
因此，对于虚拟地址0xffffffc000081000 而言，PGD在TTBR0_EL1可以获取到，是ffffffc0012a9000，pgd index是256，因此在PGD中可以找到对应的描述符的位置是ffffffc0012a9000 ＋ 256 x 3 ＝ ffffffc0012a9800，该描述符的内容是1da5fe003，在这个描述符中bit[47:21]是output address，从而可以得到PMD的位置ffffffc15a5fe000 。
第四个问题：更准确的说是memory attribute，可以参考ARMv8的手册来解析这些bit field 第五个问题：我不知道你说的场景是什么，能不能再说明这些字符的出处？
linuxer 写道：
tigger 写道： 我自己的系统一次完整的虚拟地址到物理地址的转换，VA_BITS=39, 4K PAGES,PGTABLE_LEVLE=39 VIRTUAL PHYSICAL
ffffffc000081000 80081000
PAGE DIRECTORY: ffffffc0012a9000========这里是TTBR0_EL1的值吗？ PGD: ffffffc0012a9800 => 1da5fe003====这个PGD得到的值，怎么找到PMD的呢？ PMD: ffffffc15a5fe000 => 80000711 PAGE: 80000000 (2MB)===这里这个PAGE是什么意思？为什么是2MB
PTE PHYSICAL FLAGS 80000711 80000000 (VALID|SHARED|AF)====711就是FLAGS的数值？
PAGE PHYSICAL MAPPING INDEX CNT FLAGS
ffffffbe01c01c38 80081000 0 0 1 400 reserved 最下面这个PAGE又是什么意思呢？
对于你的系统，映射有两种： 1、PGD(9 bits)--->PMD(9 bits)--->PTE(9 bits)--->PAGE(12 bits) 2、PGD(9 bits)--->PMD(9 bits)--->SECTION(21 bits)
第一个问题：是的，TTBR0_EL1指向了内核空间的PAGE DIRECTORY: ffffffc0012a9000
第三个问题：由于采用了第二种方式的映射，因此PMD中是block descriptor，因此以此mapping了2M size的block，在这个场景中使用PAGE不是太规范
第二个问题和地址映射相关，你给出的地址映射是：
VIRTUAL PHYSICAL
ffffffc000081000 80081000
对虚拟地址0xffffffc000081000 可以进行分解： pgd index：9 bits，100000000（二进制） pmd index：9 bits，000000000（二进制） section offset：21 bits，0x81000
因此，对于虚拟地址0xffffffc000081000 而言，PGD在TTBR0_EL1可以获取到，是ffffffc0012a9000，pgd index是256，因此在PGD中可以找到对应的描述符的位置是ffffffc0012a9000 ＋ 256 x 3 ＝ ffffffc0012a9800，该描述符的内容是1da5fe003，在这个描述符中bit[47:21]是output address，从而可以得到PMD的位置ffffffc15a5fe000 。
第四个问题：更准确的说是memory attribute，可以参考ARMv8的手册来解析这些bit field 第五个问题：我不知道你说的场景是什么，能不能再说明这些字符的出处？
1:该描述符的内容是1da5fe003，在这个描述符中bit[47:21]是output address，从而可以得到PMD的位置ffffffc15a5fe000 。 这里我还是没有看懂，PMD是基于那个地址得到的现在的值？？为什么最后的003，3这个数值不用了？
2:256 x 3 这里应该是笔误了，从结果来看应该是256x2^3=0x800
3:这里这个page 又是啥意思？ PAGE PHYSICAL MAPPING INDEX CNT FLAGS ffffffbe01c01c38 80081000 0 0 1 400 reserved
1、PGD中描述符的格式定义就在ARMv8的手册里，你可以去看看，我这里只是贴上图片
2、呵呵，是写错了。
3、没有上下文，我也不知道这里的PAGE是什么意思。
linuxer 写道： 1、PGD中描述符的格式定义就在ARMv8的手册里，你可以去看看，我这里只是贴上图片 /forum/plugins/ezbbc/img/11/1481626326_table-descriptor.jpg
2、呵呵，是写错了。
3、没有上下文，我也不知道这里的PAGE是什么意思。
老大就是厉害啊，小弟茅塞顿开。 我的问题又来了 1：根据我的理解如果是4k page设置的话，每一个level的descriptor地址都应该是4k对齐的。所以地址应该是这样的形式，假设我一共需要16张page table L0=TTBRX L1=[0x0000，0x1000，0x2000,...0xf000] L2=[0x10000,0x11000,0x12000,...0x1f000] L3=[0x20000,0x21000,0x22000,...0x2f000] 上面这些空间必须预留下来对吗？ 2：我能不能修改某些寄存器直接L0=>L3 L3里面就存放page entry 3：我不想使用block 方式，因为block size 太大了 最小都是2MB
1、这个问题比较诡异，我一时不知道说什么好
2、不能，可以TTBR--->L2--->L3，也可以TTBR--->L1--->L2--->L3，或者映射过程包括L0～L3，但是L0--->L3是不行的
3、大的mapping size也是有好处的，例如TLB的命中，减少page fault的次数等。
hi linuxer 文章 内存初始化代码分析（一）：identity mapping和kernel image mapping
例子3：当虚拟地址是39个bit，4k page size，这时候page level等于3，映射关系是PGD（L1）--->PMD（L2）--->Page table（L3）--->page。由于是4k page，因此采用section mapping，映射关系是PGD（L1）--->PMD（L2）--->section。在create_pgd_entry函数中将创建PGD这一个中间level。 4k page 一定采用section mapping，这个是arm规定的吗？？我没找到定义这个的地方。
tigger 写道： hi linuxer 文章 内存初始化代码分析（一）：identity mapping和kernel image mapping
例子3：当虚拟地址是39个bit，4k page size，这时候page level等于3，映射关系是PGD（L1）--->PMD（L2）--->Page table（L3）--->page。由于是4k page，因此采用section mapping，映射关系是PGD（L1）--->PMD（L2）--->section。在create_pgd_entry函数中将创建PGD这一个中间level。 4k page 一定采用section mapping，这个是arm规定的吗？？我没找到定义这个的地方。
这个你好像在下ARM64的启动过程之二中讲到了 ARM64_SWAPPER_USES_SECTION_MAPS这个宏定义是说明了swapper/idmap的映射是否使用section map。什么是section map呢？我们用一个实际的例子来描述。假设VA是48 bit，page size是4K，那么，在地址映射过程中，地址被分成9（level 0） ＋ 9（level 1） ＋ 9（level 2） ＋ 9（level 3） ＋ 12（page offset），对于kernel image这样的big block memory region，使用4K的page来mapping有点得不偿失，在这种情况下，可以考虑让level 2的Translation table entry指向一个2M 的memory region，而不是下一级的Translation table。所谓的section map就是指使用2M的为单位进行映射。当然，不是什么情况都是可以使用section map，对于kernel image，其起始地址是2M对齐的，因此block size是2M的情况下才OK，对于PAGE SIZE是16K，其Block descriptor指向了一个32M的内存块，PAGE SIZE是64K的时候，Block descriptor指向了一个512M的内存块，因此，只有4K page size的情况下，才可以启用section map