Linux内核 -- 物理内存页分页规划之arm v7实现

ARMv7 两级页表初始化与地址规划

在 ARMv7 架构下,页表的地址规划是非常重要的,它直接影响到内存的管理和访问效率。为了更好地理解地址规划的原理,以下是一些关键点和示例。

1. 一级页表和二级页表的规划

对于一个 1GB 大小的 DDR 内存,虚拟地址到物理地址的映射需要合理的页表规划。以两级页表为例,假设页面大小为 4KB,下面是详细的规划方法:

一级页表规划

一级页表项的数量取决于虚拟地址空间的大小。在 ARMv7 下,一个一级页表项通常映射 1MB 的地址空间。

  • 每个一级页表项大小为 4 字节
  • 一个 1GB 地址空间需要 (1GB / 1MB = 1024) 个一级页表项
  • 一级页表大小为 (1024 * 4 = 4096) 字节,即 4KB

二级页表规划

二级页表项的数量取决于一级页表项映射的地址空间和页面大小。在 ARMv7 下,一个二级页表项通常映射 4KB 的地址空间。

  • 每个二级页表项大小为 4 字节
  • 一个 1MB 地址空间需要 (1MB / 4KB = 256) 个二级页表项
  • 一个一级页表项对应的二级页表大小为 (256 * 4 = 1024) 字节,即 1KB

2. 地址规划示例

假设我们有一个 1GB 的 DDR 内存,从物理地址 0x00000000 开始。下面是一个示例的虚拟地址到物理地址映射和页表地址规划:

一级页表

  • 一级页表基地址:0x70000000
  • 一级页表大小:4KB(包含 1024 个一级页表项)

二级页表

  • 二级页表基地址:0x70001000(紧接着一级页表后面)
  • 每个二级页表大小:1KB(包含 256 个二级页表项)
  • 总共需要 1024 个二级页表,大小为 1024 * 1KB = 1MB

地址规划示例

一级页表基地址: 0x70000000 - 0x70000FFF (4KB)
二级页表基地址: 0x70001000 - 0x70100FFF (1MB)
物理内存基地址: 0x00000000 - 0x3FFFFFFF (1GB)

3. 页表初始化示例代码

#define PAGE_TABLE_SIZE (4096) // 4KB
#define NUM_L1_ENTRIES (1024)  // 一级页表条目数量
#define NUM_L2_ENTRIES (256)   // 二级页表条目数量unsigned int *init_page_tables() {// 分配一级页表和二级页表的内存unsigned int *l1_page_table = (unsigned int *)alloc_page_table_memory(PAGE_TABLE_SIZE);unsigned int *l2_page_tables = (unsigned int *)alloc_page_table_memory(PAGE_TABLE_SIZE * NUM_L1_ENTRIES);// 初始化一级页表for (int i = 0; i < NUM_L1_ENTRIES; i++) {unsigned int l2_base_addr = (unsigned int)(&l2_page_tables[i * NUM_L2_ENTRIES]);l1_page_table[i] = (l2_base_addr & 0xFFFFFC00) | 0x01; // 描述符类型}// 初始化二级页表for (int i = 0; i < NUM_L1_ENTRIES * NUM_L2_ENTRIES; i++) {unsigned int phys_page_addr = i * 0x1000; // 假设每个页面 4KBl2_page_tables[i] = (phys_page_addr & 0xFFFFF000) | 0x02; // 描述符类型和权限}return l1_page_table;
}void enable_mmu(unsigned int *l1_page_table) {unsigned int ttbr = (unsigned int)l1_page_table;asm volatile ("MCR p15, 0, %0, c2, c0, 0
" // 设置 TTBR0"MRC p15, 0, r0, c1, c0, 0
" // 读取系统控制寄存器"ORR r0, r0, #1
"            // 使能 MMU"MCR p15, 0, r0, c1, c0, 0
" // 写回系统控制寄存器:: "r" (ttbr): "r0");
}void setup_memory_mapping() {unsigned int *l1_page_table = init_page_tables();enable_mmu(l1_page_table);
}

4. 标准规划与考虑

在实际系统中,内存地址的规划通常遵循一定的标准和最佳实践:

  1. 对齐:页表和页面地址需要对齐,以确保内存访问效率和正确性。
  2. 连续性:页表内存应该尽量是连续的,以减少内存碎片和管理复杂度。
  3. 缓存策略:根据需要设置合适的缓存策略,以优化性能。
  4. 权限管理:设置合适的访问权限,确保内存安全和防护。

通过合理的地址规划和页表初始化,可以有效管理内存,提高系统性能和安全性。

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