ARM Linux页面表布局

Question

我已经阅读了多篇关于这个主题的文章，包括以下文章，但对我来说仍然有些模糊：

http://elinux.org/Tims_Notes_on_ARM_memory_allocation

ARM Linux kernel page table

Linux kernel ARM Translation table base (TTB0 and TTB1)

ARM硬件在L1转换表中有4096个每个4字节的条目。每个条目将内存中的1MB区域进行转换。在第二级别上，它有256个每个4字节的条目。每个第二级别的条目将内存中的4KB页面进行转换。 因此，根据这个规则，任何虚拟地址必须被分成12-8-12来映射到上述方案。

但在32位ARM Linux侧，这个分配是11-9-12。其中L1转换表由2048个条目组成，每个条目为8字节。这里将两个4字节的条目结合在一起，并将指向的第二级转换表按顺序排列在内存中，因此在第二级中，不是256而是512个条目。此外，由于Linux内存管理希望使用与ARM不同的各种标志，所以我们为Linux页面表定义了512个附加条目（每个二级HW页面表一个）。

现在的问题是，Linux不强制执行PGD/PMD/PTE大小（但强制页面大小为4K。因此将PAGE_SHIFT设置为12），那么为什么要选择11-9-12布局（即为PGD选择11位，为HW PTE选择9位）。 这样做只是为了确保512HW +512Linux PTE对齐到页面边界吗？

如果有人能详细解释这个分配背后的逻辑，那就太好了....

- nagla

Answer 1

正如您所说，在ARM短描述符格式中，每个二级页表的大小为1KB。即使加上相关的影子页表，也只有2KB，这意味着为二级表分配的每个页面的50％将完全浪费。

Linux通过成对分配一级条目来“假装”部分大小为2MB，而不是硬件实际的1MB，以便相应的一对二级表可以保持在单个页面中，并避免浪费，从而使页面表内存的管理真正简单。

- Notlikethat

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为什么Linux不能假装段大小为4MB，并将四个二级页表保留在一个页面中？ - nagla

它可能可以这样做，但那样它也需要在某个地方跟踪第二页，以获取4个影子页表。这可能不值得麻烦。 - Notlikethat

“pretend” 有点误导。通用的 MMU 层被告知 L1 条目为 2MB。ARM MMU 代码知道物理硬件。挑战在于将 ARM MMU 硬件（在 ARM CPU 家族之间不同）映射到通用的 Linux MMU 代码/API。它不能使用 4MB 的区块，因为需要管理/模拟“脏”、“年轻”和“访问”位的附加细节。 - artless noise

@artlessnoise "通用MMU层被告知L1条目为2MB..." - 确实；架构代码"表现出（节大小为2MB）的样子，而实际上并非如此"。我不明白这有什么误导的地方... - Notlikethat

是的，但“假装”并没有回答“如果有人能详细解释这个除法背后的逻辑将会很好”的问题，而且它肯定不是计算机科学术语（无论如何感谢您提供的字典参考）。顺便说一句，我投了你的半个答案。 - artless noise

Answer 2

ARM Linux和脏位应该有所有的答案。主要是，PTE表具有额外的信息来模拟位，从而产生您观察到的布局。

我认为一个误解是L2表占用的内存与它映射的内存不同。您必须为L2表分配物理内存，并使其对称（4K大小），使其与所有页面相同。现在，这个4k页面可以是四个ARM MMU L2页表。然而，我们需要一些附加信息来模拟Linux通用MMU代码所需的脏、年轻和访问位。因此，Linux L2（PTE目录）的布局如下：

1. Linux PTE [n]
2. Linux PTE [n+1]
3. ARM PTE [n]
4. ARM PTE [n+1]

在L1级别，每个条目都成对出现（n / n+1），以便它指向上面的第3和第4项。 pgtable-2level.h文件对布局进行了详细注释（应该适用于您的Linux版本）。

参见：ARM MM上的Tim笔记          ARM Linux内核中的页面表项（PTE）描述符

- artless noise

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感谢大家宝贵的反馈。因此，由于Linux需要额外的管理位，并且将ARM硬件和Linux PTE排列在一个4KB页面内，我们只需要引用一个页面。否则，我们将不得不访问两个页面，一个用于硬件，一个用于Linux PTE。但是，既然内核页表永远不会被交换出去，那真的很重要吗？ - nagla

还有一件事，对我来说有点不清楚。ARM硬件将始终使用硬件页表，这是否意味着Linux的页表只能由Linux用于内部使用？假设在我的代码中，我引用了某个内存位置，并且正确的页表已经由硬件和Linux进行设置，那么当CPU访问此地址时，ARM硬件将自动使用硬件页表，并根据硬件页表中的权限允许或禁止访问。问题是，在这种情况下，Linux的页表有什么作用...它们似乎是无用的？ - nagla

Linux主要使用Linux PTE值；这就是为什么它们排在首位的原因。有一个提交操作，CPU MMU层将把Linux PTE转换为hw PTE。一些相关问题暗示了这一点。交换不重要（MMU使用物理地址，但CPU使用虚拟地址来管理它们），因此它们必须实际存在。然而，当它们被分组在一起时，TLB访问将减少。正如前面所说，这减少了代码复杂性。所有内容都处理4k页面。通用MM/MMU代码使用Linux PTE值。Linux内核需要它们。CPU需要hw PTE。 - artless noise