Linux内核固定虚拟地址映射

前面我们说到，为kernel image设置了虚实地址转换表，并且开启了mmu。但是现在从虚拟地址空间CPU只能看到kernel image，如果此时想访问其他物理地址空间怎么办？用ioremap吗？要知道，此时内存子系统还没有初始化，ioremap无法工作。为了解决这一问题，Linux内核定义了一段固定的虚拟地址空间，所谓固定就是说在编译时就确定的，内核启动早期会将某些物理地址映射到这段固定虚拟地址空间。

谁要使用虚拟地址空间？

我们先来想一个问题，谁会使用这段固定虚拟地址空间？乍一看这个问题可不好回答，那么可以换一种问法，CPU要使用哪些物理地址空间？这个问题就比较容易了吧！哈哈，想到点什么没有？至少有两点是比较容易想到的：
DTB：目前DTB在linux内核中可谓深入人心，DTB用来描述硬件拓扑及资源信息，linux启动早期需要解析DTB文件，获取硬件拓扑及资源信息。
Console：调试过Linux内核启动的朋友应该都是知道串口控制台的重要性，基于调试的考虑，我们往往希望尽可能早的通过串口控制台打印我们需要的信息，那么就需要访问UART的控制器。
下面是linux所定义的固定虚拟地址空间的layout:

enum fixed_addresses {FIX_HOLE,/** Reserve a virtual window for the FDT that is 2 MB larger than the* maximum supported size, and put it at the top of the fixmap region.* The additional space ensures that any FDT that does not exceed* MAX_FDT_SIZE can be mapped regardless of whether it crosses any* 2 MB alignment boundaries.** Keep this at the top so it remains 2 MB aligned.*/
#define FIX_FDT_SIZE        (MAX_FDT_SIZE + SZ_2M)FIX_FDT_END,FIX_FDT = FIX_FDT_END + FIX_FDT_SIZE / PAGE_SIZE - 1,FIX_EARLYCON_MEM_BASE,FIX_TEXT_POKE0,__end_of_permanent_fixed_addresses,/** Temporary boot-time mappings, used by early_ioremap(),* before ioremap() is functional.*/
\#define NR_FIX_BTMAPS      (SZ_256K / PAGE_SIZE)
\#define FIX_BTMAPS_SLOTS   7
\#define TOTAL_FIX_BTMAPS   (NR_FIX_BTMAPS * FIX_BTMAPS_SLOTS)FIX_BTMAP_END = __end_of_permanent_fixed_addresses,FIX_BTMAP_BEGIN = FIX_BTMAP_END + TOTAL_FIX_BTMAPS - 1,/** Used for kernel page table creation, so unmapped memory may be used* for tables.*/FIX_PTE,FIX_PMD,FIX_PUD,FIX_PGD,__end_of_fixed_addresses
};

- FIX_FDT—FIX_FDT_END(4M)
用于DTB.
- FIX_EARLYCON_MEM_BASE
用于早期串口控制台。
- FIX_TEXT_POKE0
用法不明。
- FIX_BTMAP_BEGIN—FIX_BTMAP_END
用于早期ioremap。
- FIX_PTE
pte table固定虚拟地址，用于临时映射。
- FIX_PMD
pmd table固定虚拟地址，用于临时映射。
- FIX_PUD
pud table固定虚拟地址，用于临时映射。
- FIX_PGD
pgd table固定虚拟地址，用于临时映射。

下面的图能更清晰的反应固定虚拟地址空间的layout：

重要函数解释

pgd_offset_k(addr)
根据传入的虚拟地址addr，计算得到pgd table中的某个entry，并返回其虚拟地址。
pgd_populate(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd, pud_t *pud)
将pud table的物理基地址填充到pgd entry中。
fixmap_pud(unsigned long addr)
根据传入的虚拟地址，计算得到pud table中的某个entry，并返回其虚拟地址。
pud_populate(struct mm_struct *mm, pud_t *pud, pmd_t *pmd)
将pmd table的物理基地址填充到pud entry中。
fixmap_pmd(unsigned long addr)
根据传入的虚拟地址，计算得到pmd table中的某个entry，并返回其虚拟地址。
pmd_populate_kernel(struct mm_struct *mm, pmd_t *pmdp, pte_t *ptep)
将pte table的物理地址填充到pmd entry中。
以上六个函数为一个虚拟地址设置了三级转换，但是并没有设置第四级转换，第四级转换映射到物理地址。

代码逻辑分析

1. 固定映射初始化：early_fixmap_init

为虚拟地址FIXADDR_START（即固定虚拟地址空间的起始地址）设置前三级转换。
单看这个函数的逻辑，其实特别简单，就是根据虚拟地址找到pgd table中的某个entry，并填充pud table的物理基地址；再根据虚拟地址找到pud table中的某个entry，并填充pmd table的物理地址；在根据虚拟地址找到pmd table中的某个entry，并填充pte table的物理地址，并没有将虚拟地址映射到物理地址。
代码逻辑看似简单，实际上暗藏玄机，如果不把此间玄机窥探清除，读后面的代码会非常迷惑，下面我们就把其中玄机一点一点呈现出来。

- 玄机1：FIXADDR_START神秘之处。

回头看下固定虚拟地址layout，FIXADDR_TOP是2M对齐的，这个从FIXADDR_TOP定义可以知道，而FIXADDR_START并非2M对齐，这一点其实非常重要，后面的两个玄机都与此相关。

- 玄机2：为DTB固定虚拟地址设置了前两级转换表，即PDG，PUD转换表。

DTB是按section来作映射的，section映射需要三级转换，一条section映射覆盖2M空间，由于FIXADDR_TOP是2M对齐的，因而两个连续的pmd entry即可覆盖4M的DTB虚拟地址空间，后面只需要填充最多两个PMD entry即可。

- 玄机3：为其他固定虚拟地址设置了前三级转换表，及PGD,PUD,PMD转换表。

由于FIXADDR_START不是2M对齐的，此时设置的pmd entry覆盖所有的非DTB虚拟地址空间，后面映射到实际物理地址的时候，只需要填充该PMD entry指向的PTE table中的某个entry即可。

2. 早期ioremap初始化：early_ioremap_init

为了在内存子系统起来之前使用ioremap，linux实现了早期ioremap机制。该函数实现相关的初始化，实际上该初始化函数仅仅是将用于早期ioremap的固定虚拟地址空间FIX_BTMAP_BEGIN_FIX_BITMAP_END的虚拟地址存放到数组slot_virt中。

3. 完成DTB虚实地址映射：__fixmap_remap_fdt

前面early_fixmap_init已经为DTB固定虚拟地址设置了前两级转换表，此时再设置一个或者两个PMD entry即可。那么一个或者两个是怎么定的呢？主要是看DTB在物理地址空间是否跨2M的边界，因为DTB是按section（2M）来做映射的，如果DTB跨2M边界，则需要连续两个pmd entry。由于DTB最大2M，如果DTB物理基地址不是2M对齐的，则有可能出现DTB跨2M边界的情况。

3.1. dt_virt_base = __fix_to_virt(FIX_FDT);

计算得出分配给dtb的虚拟基地址。

3.2. create_mapping_noalloc:first

设置第一个section mapping，主要就是设置PMD entry。注意，这里noalloc的意思是，不会分配新的地址转换table，只会填充某个table的entry。该函数的具体代码我们不去一一分析了，我这里把其中比较重要的点列出来，供有兴趣的朋友分析代码是参考：

该函数中设置DTB虚实地址映射只需要设置一个pmd entry，因为early_fixmap_init函数已经设置了前两级映射。
固定虚拟地址空间定义了四个page，用于访问PGD,PUD,PMD,PTE四级页表，在当前上下文，这四级页表用于其自身的虚实地址映射及DTB虚实地址映射。也就是说首先要为页表做虚实地址映射，以便CPU可以使用虚拟地址访问页表，之后设置页表，实现DTB虚实地址映射。

3.3. create_mapping_noalloc:second

如果第一个section mapping无法覆盖完成的DTB，则需要设置第二个section mapping。

第二阶段主要是分析固定虚拟地址的映射，当然主要讲的是DTB，还有一些其他固定虚拟地址，我们后面遇到还会分析。