MMU的本質(zhì)

虛擬地址(VA):就是線性地址,鴻蒙內(nèi)存部分全是VA的身影,是由編譯器和鏈接器在定位程序時(shí)分配的，每個(gè)應(yīng)用程序都使用相同的虛擬內(nèi)存地址空間，而這些虛擬內(nèi)存地址空間實(shí)際上分別映射到不同的實(shí)際物理內(nèi)存空間上。CPU只知道虛擬地址，向虛擬地址要數(shù)據(jù)，但在其保護(hù)模式下很悲催地址信號在路上被MMU攔截了，MMU把虛擬地址換成了物理地址，從而拿到了真正的數(shù)據(jù)。

物理地址(PA)：程序的指令和常量數(shù)據(jù)，全局變量數(shù)據(jù)以及運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)申請內(nèi)存所分配的實(shí)際物理內(nèi)存存放位置。

MMU采用頁表(page table)來實(shí)現(xiàn)虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換，頁表項(xiàng)除了描述虛擬頁到物理頁直接的轉(zhuǎn)換外，還提供了頁的訪問權(quán)限(讀，寫，可執(zhí)行)和存儲(chǔ)屬性。MMU的本質(zhì)是拿虛擬地址的高位(20位)做文章，低12位是頁內(nèi)偏移地址不會(huì)變。也就是說虛擬地址和物理地址的低12位是一樣的，本篇詳細(xì)講述MMU是如何變戲法的。

MMU是通過兩級頁表結(jié)構(gòu)：L1和L2來實(shí)現(xiàn)映射功能的，鴻蒙內(nèi)核當(dāng)然也實(shí)現(xiàn)了這兩級頁表轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)。本篇是系列篇關(guān)于內(nèi)存部分最滿意的一篇，也是最不好理解的一篇,強(qiáng)烈建議結(jié)合源碼看,鴻蒙內(nèi)核源碼注釋中文版 【 Gitee倉|CSDN倉|Github倉|Coding倉 】內(nèi)存部分的注釋已經(jīng)基本完成 .

一級頁表L1

L1頁表將全部的4G地址空間劃分為4096個(gè)1M的節(jié)，頁表中每一項(xiàng)(頁表項(xiàng))32位，其內(nèi)容是L2頁表基地址或某個(gè)1M物理內(nèi)存的基地址。虛擬地址的高12位用于對頁表項(xiàng)定位，也就是4096個(gè)頁面項(xiàng)的索引，L1頁表的基地址，也叫轉(zhuǎn)換表基地址，存放在CP15的C2（TTB）寄存器中，鴻蒙內(nèi)核源碼分析(內(nèi)存匯編篇)中有詳細(xì)的描述，自行翻看。

L1頁表項(xiàng)有三種描述格式，鴻蒙源碼如下。

/* L1 descriptor type */
#define MMU_DESCRIPTOR_L1_TYPE_INVALID                          (0x0 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L1_TYPE_PAGE_TABLE                       (0x1 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L1_TYPE_SECTION                          (0x2 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L1_TYPE_MASK                             (0x3 << 0)

第一種：Fault（INVALID)頁表項(xiàng)，表示對應(yīng)虛擬地址未被映射，訪問將產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)中止異常。

第二種：PAGE_TABLE頁表項(xiàng)，指向L2頁表的頁表項(xiàng)，意思就是把1M分成更多的頁（256*4K）

第三種：SECTION頁表項(xiàng) ，指向1M節(jié)的頁表項(xiàng)

?

頁表項(xiàng)的最低二位[1:0],用于定義頁表項(xiàng)的類型，section頁表項(xiàng)對應(yīng)1M的節(jié)，直接使用頁表項(xiàng)的最高12位替代虛擬地址的高12位即可得到物理地址。還是直接看鴻蒙源碼來的清晰，每一行都加了詳細(xì)的注釋。

LOS_ArchMmuQuery通過虛擬地址查詢物理地址和flags

//通過虛擬地址查詢物理地址
STATUS_T LOS_ArchMmuQuery(const LosArchMmu *archMmu, VADDR_T vaddr, PADDR_T *paddr, UINT32 *flags)
{//archMmu->virtTtb:轉(zhuǎn)換表基地址
    PTE_T l1Entry = OsGetPte1(archMmu->virtTtb, vaddr);//獲取PTE vaddr右移20位 得到L1描述子地址
    PTE_T l2Entry;
    PTE_T* l2Base = NULL;

    if (OsIsPte1Invalid(l1Entry)) {//判斷L1描述子地址是否有效
        return LOS_ERRNO_VM_NOT_FOUND;//無效返回虛擬地址未查詢到
    } else if (OsIsPte1Section(l1Entry)) {// section頁表項(xiàng): l1Entry低二位是否為 10
        if (paddr != NULL) {//物理地址 = 節(jié)基地址(section頁表項(xiàng)的高12位) + 虛擬地址低20位
            *paddr = MMU_DESCRIPTOR_L1_SECTION_ADDR(l1Entry) + (vaddr & (MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_SIZE - 1));
        }

        if (flags != NULL) {
            OsCvtSecAttsToFlags(l1Entry, flags);//獲取虛擬內(nèi)存的flag信息
        }
    } else if (OsIsPte1PageTable(l1Entry)) {//PAGE_TABLE頁表項(xiàng): l1Entry低二位是否為 01
        l2Base = OsGetPte2BasePtr(l1Entry);//獲取L2轉(zhuǎn)換表基地址
        if (l2Base == NULL) {
            return LOS_ERRNO_VM_NOT_FOUND;
        }
        l2Entry = OsGetPte2(l2Base, vaddr);//獲取L2描述子地址
        if (OsIsPte2SmallPage(l2Entry) || OsIsPte2SmallPageXN(l2Entry)) {
            if (paddr != NULL) {//物理地址 = 小頁基地址(L2頁表項(xiàng)的高20位) + 虛擬地址低12位
                *paddr = MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_PAGE_ADDR(l2Entry) + (vaddr & (MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SIZE - 1));
            }

            if (flags != NULL) {
                OsCvtPte2AttsToFlags(l1Entry, l2Entry, flags);//獲取虛擬內(nèi)存的flag信息
            }
        } else if (OsIsPte2LargePage(l2Entry)) {//鴻蒙目前暫不支持64K大頁，未來手機(jī)版應(yīng)該會(huì)支持。
            LOS_Panic("%s %d, large page unimplemented
", __FUNCTION__, __LINE__);
        } else {
            return LOS_ERRNO_VM_NOT_FOUND;
        }
    }

    return LOS_OK;
}

這是鴻蒙內(nèi)核對地址使用最頻繁的功能，通過虛擬地址得到物理地址和flag信息，看下哪些地方會(huì)調(diào)用到它。

二級頁表L2

L1頁表項(xiàng)表示1M的地址范圍，L2把1M分成更多的小頁，鴻蒙內(nèi)核 一頁按4K算，所以被分成 256個(gè)小頁。

L2頁表中包含256個(gè)頁表項(xiàng)，每個(gè)32位(4個(gè)字節(jié))，L2頁表需要 256*4 = 1K的空間，必須按1K對齊，每個(gè)L2頁表項(xiàng)將4K的虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為物理地址，每個(gè)L2頁面項(xiàng)都給出了一個(gè)4K的頁基地址。

L2頁表項(xiàng)有三種格式：

/* L2 descriptor type */
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_INVALID                          (0x0 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_LARGE_PAGE                       (0x1 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_SMALL_PAGE                       (0x2 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_SMALL_PAGE_XN                    (0x3 << 0)
#define MMU_DESCRIPTOR_L2_TYPE_MASK                             (0x3 << 0)

第一種：Fault（INVALID)頁表項(xiàng)，表示對應(yīng)虛擬地址未被映射，訪問將產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)中止異常。

第二種：大頁表項(xiàng)，包含一個(gè)指向64K頁的指針，但鴻蒙內(nèi)核并沒有實(shí)現(xiàn)大頁表的支持，給出了未實(shí)現(xiàn)的提示

if (OsIsPte2LargePage(l2Entry)) {
            LOS_Panic("%s %d, large page unimplemented
", __FUNCTION__, __LINE__);
        } 

第三種：小頁表項(xiàng)，包含一個(gè)指向4K頁的指針。

映射初始化的過程

先看調(diào)用和被調(diào)用的關(guān)系

//啟動(dòng)映射初始化
VOID OsInitMappingStartUp(VOID)
{
    OsArmInvalidateTlbBarrier();//使TLB失效

    OsSwitchTmpTTB();//切換到臨時(shí)TTB

    OsSetKSectionAttr();//設(shè)置內(nèi)核段(text,rodata,bss)映射

    OsArchMmuInitPerCPU();//初始化CPU與mmu相關(guān)信息
}

干脆利落，調(diào)用了四個(gè)函數(shù)，其中三個(gè)在鴻蒙內(nèi)核源碼分析(內(nèi)存匯編篇)有涉及，不展開講，這里說OsSetKSectionAttr

它實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核空間各個(gè)區(qū)的映射，內(nèi)核本身也是程序，鴻蒙把內(nèi)核空間在物理內(nèi)存上就獨(dú)立開來了，也就是說在物理內(nèi)存上有一段區(qū)域是只給內(nèi)核空間享用的，從根上就把內(nèi)核和APP 空間隔離了，里面放的是內(nèi)核的重要數(shù)據(jù)(包括代碼，常量和全局變量)，具體看代碼，代碼很長，整個(gè)函數(shù)全貼出來了，都加上了注釋。

OsSetKSectionAttr內(nèi)核空間的設(shè)置和映射

typedef struct ArchMmuInitMapping {
    PADDR_T phys;//物理地址
    VADDR_T virt;//虛擬地址
    size_t  size;//大小
    unsigned int flags;//標(biāo)識 讀/寫/.. VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_*
    const char *name;//名稱
} LosArchMmuInitMapping;

VADDR_T *OsGFirstTableGet()
{
    return (VADDR_T *)g_firstPageTable;//UINT8 g_firstPageTable[MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_ENTRY_NUMBERS]
}
//設(shè)置內(nèi)核空間段屬性,可看出內(nèi)核空間是固定映射到物理地址
STATIC VOID OsSetKSectionAttr(VOID)
{
    /* every section should be page aligned */
    UINTPTR textStart = (UINTPTR)&__text_start;//代碼段開始位置
    UINTPTR textEnd = (UINTPTR)&__text_end;//代碼段結(jié)束位置
    UINTPTR rodataStart = (UINTPTR)&__rodata_start;//常量只讀段開始位置
    UINTPTR rodataEnd = (UINTPTR)&__rodata_end;//常量只讀段結(jié)束位置
    UINTPTR ramDataStart = (UINTPTR)&__ram_data_start;//全局變量段開始位置
    UINTPTR bssEnd = (UINTPTR)&__bss_end;//bss結(jié)束位置
    UINT32 bssEndBoundary = ROUNDUP(bssEnd, MB);
    LosArchMmuInitMapping mmuKernelMappings[] = {
        {
            .phys = SYS_MEM_BASE + textStart - KERNEL_VMM_BASE,//映射物理內(nèi)存位置
            .virt = textStart,//內(nèi)核代碼區(qū)
            .size = ROUNDUP(textEnd - textStart, MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SIZE),//代碼區(qū)大小
            .flags = VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_EXECUTE,//代碼段可讀，可執(zhí)行
            .name = "kernel_text"
        },
        {
            .phys = SYS_MEM_BASE + rodataStart - KERNEL_VMM_BASE,//映射物理內(nèi)存位置
            .virt = rodataStart,//內(nèi)核常量區(qū)
            .size = ROUNDUP(rodataEnd - rodataStart, MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SIZE),//4K對齊
            .flags = VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ,//常量段只讀
            .name = "kernel_rodata"
        },
        {
            .phys = SYS_MEM_BASE + ramDataStart - KERNEL_VMM_BASE,//映射物理內(nèi)存位置
            .virt = ramDataStart,
            .size = ROUNDUP(bssEndBoundary - ramDataStart, MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SIZE),
            .flags = VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE,//全局變量區(qū)可讀可寫
            .name = "kernel_data_bss"
        }
    };
    LosVmSpace *kSpace = LOS_GetKVmSpace();//獲取內(nèi)核空間
    status_t status;
    UINT32 length;
    paddr_t oldTtPhyBase;
    int i;
    LosArchMmuInitMapping *kernelMap = NULL;//內(nèi)核映射
    UINT32 kmallocLength;

    /* use second-level mapping of default READ and WRITE */
    kSpace->archMmu.virtTtb = (PTE_T *)g_firstPageTable;//__attribute__((section(".bss.prebss.translation_table"))) UINT8 g_firstPageTable[MMU_DESCRIPTOR_L1_SMALL_ENTRY_NUMBERS];
    kSpace->archMmu.physTtb = LOS_PaddrQuery(kSpace->archMmu.virtTtb);//通過TTB虛擬地址查詢TTB物理地址
    status = LOS_ArchMmuUnmap(&kSpace->archMmu, KERNEL_VMM_BASE,
                               (bssEndBoundary - KERNEL_VMM_BASE) >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT);//解綁 bssEndBoundary - KERNEL_VMM_BASE 映射
    if (status != ((bssEndBoundary - KERNEL_VMM_BASE) >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT)) {//解綁失敗
        VM_ERR("unmap failed, status: %d", status);
        return;
    }
	//映射 textStart - KERNEL_VMM_BASE 區(qū)
    status = LOS_ArchMmuMap(&kSpace->archMmu, KERNEL_VMM_BASE, SYS_MEM_BASE,
                             (textStart - KERNEL_VMM_BASE) >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT,
                             VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE |
                             VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_EXECUTE);
    if (status != ((textStart - KERNEL_VMM_BASE) >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT)) {
        VM_ERR("mmap failed, status: %d", status);
        return;
    }

    length = sizeof(mmuKernelMappings) / sizeof(LosArchMmuInitMapping);
    for (i = 0; i < length; i++) {//對mmuKernelMappings一一映射好
        kernelMap = &mmuKernelMappings[i];
        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);//保留區(qū)
    }
	//將剩余空間映射好
    kmallocLength = KERNEL_VMM_BASE + SYS_MEM_SIZE_DEFAULT - bssEndBoundary;
    status = LOS_ArchMmuMap(&kSpace->archMmu, bssEndBoundary,
                             SYS_MEM_BASE + bssEndBoundary - KERNEL_VMM_BASE,
                             kmallocLength >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT,
                             VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE);
    if (status != (kmallocLength >> MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT)) {
        VM_ERR("unmap failed, status: %d", status);
        return;
    }
    LOS_VmSpaceReserve(kSpace, kmallocLength, bssEndBoundary);

    /* we need free tmp ttbase */
    oldTtPhyBase = OsArmReadTtbr0();//讀取TTB值
    oldTtPhyBase = oldTtPhyBase & MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_FRAME;
    OsArmWriteTtbr0(kSpace->archMmu.physTtb | MMU_TTBRx_FLAGS);//內(nèi)核頁表基地址寫入CP15 c2(TTB寄存器)
    ISB;

    /* we changed page table entry, so we need to clean TLB here */
    OsCleanTLB();//清空TLB緩沖區(qū)

    (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, (VOID *)(UINTPTR)(oldTtPhyBase - SYS_MEM_BASE + KERNEL_VMM_BASE));//釋放內(nèi)存池
}

LOS_ArchMmuMap生成L1，L2頁表項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)映射的過程

mmu的map 就是生成L1,L2頁表項(xiàng)的過程，以供虛實(shí)地址的轉(zhuǎn)換使用，還是直接看代碼吧，代碼說明一切！

//所謂的 map 就是 生成L1,L2頁表項(xiàng)的過程
status_t LOS_ArchMmuMap(LosArchMmu *archMmu, VADDR_T vaddr, PADDR_T paddr, size_t count, UINT32 flags)
{
    PTE_T l1Entry;
    UINT32 saveCounts = 0;
    INT32 mapped = 0;
    INT32 checkRst;

    checkRst = OsMapParamCheck(flags, vaddr, paddr);//檢查參數(shù)
    if (checkRst < 0) {
        return checkRst;
    }

    /* see what kind of mapping we can use */
    while (count > 0) {
        if (MMU_DESCRIPTOR_IS_L1_SIZE_ALIGNED(vaddr) && //虛擬地址和物理地址對齊 0x100000（1M）時(shí)采用
            MMU_DESCRIPTOR_IS_L1_SIZE_ALIGNED(paddr) && //section頁表項(xiàng)格式
            count >= MMU_DESCRIPTOR_L2_NUMBERS_PER_L1) { //MMU_DESCRIPTOR_L2_NUMBERS_PER_L1 = 0x100 
            /* compute the arch flags for L1 sections cache, r ,w ,x, domain and type */
            saveCounts = OsMapSection(archMmu, flags, &vaddr, &paddr, &count);//生成L1 section類型頁表項(xiàng)并保存
        } else {
            /* have to use a L2 mapping, we only allocate 4KB for L1, support 0 ~ 1GB */
            l1Entry = OsGetPte1(archMmu->virtTtb, vaddr);//獲取L1頁面項(xiàng)
            if (OsIsPte1Invalid(l1Entry)) {//L1 fault頁面項(xiàng)類型
                OsMapL1PTE(archMmu, &l1Entry, vaddr, flags);//生成L1 page table類型頁表項(xiàng)并保存
                saveCounts = OsMapL2PageContinous(l1Entry, flags, &vaddr, &paddr, &count);//生成L2 頁表項(xiàng)目并保存
            } else if (OsIsPte1PageTable(l1Entry)) {//L1 page table頁面項(xiàng)類型
                saveCounts = OsMapL2PageContinous(l1Entry, flags, &vaddr, &paddr, &count);//生成L2 頁表項(xiàng)目并保存
            } else {
                LOS_Panic("%s %d, unimplemented tt_entry %x
", __FUNCTION__, __LINE__, l1Entry);
            }
        }
        mapped += saveCounts;
    }

    return mapped;
}

STATIC UINT32 OsMapL2PageContinous(PTE_T pte1, UINT32 flags, VADDR_T *vaddr, PADDR_T *paddr, UINT32 *count)
{
    PTE_T *pte2BasePtr = NULL;
    UINT32 archFlags;
    UINT32 saveCounts;

    pte2BasePtr = OsGetPte2BasePtr(pte1);
    if (pte2BasePtr == NULL) {
        LOS_Panic("%s %d, pte1 %#x error
", __FUNCTION__, __LINE__, pte1);
    }

    /* compute the arch flags for L2 4K pages */
    archFlags = OsCvtPte2FlagsToAttrs(flags);
    saveCounts = OsSavePte2Continuous(pte2BasePtr, OsGetPte2Index(*vaddr), *paddr | archFlags, *count);
    *paddr += (saveCounts << MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT);
    *vaddr += (saveCounts << MMU_DESCRIPTOR_L2_SMALL_SHIFT);
    *count -= saveCounts;
    return saveCounts;
}

OsMapL2PageContinous沒有加注釋，希望你別太懶，趕緊動(dòng)起來，到這里應(yīng)該都能看懂了！最好能結(jié)合 鴻蒙內(nèi)核源碼分析(內(nèi)存匯編篇)一起看理解會(huì)更深透。

編輯：hfy