Linux/ARM Page Table Entry 属性设置分析

原创文章,转载请注明出处.转载自: Li Haifeng's Blog
本文链接地址: Linux/ARM Page Table Entry 属性设置分析

注:该博文写的比较凌乱,需要以后再修改。

Linux 的页表项总体可以划分为两部分,一部分是物理映射地址,另一部分是对物理地址对应的访问属性。在Linux/ARM的Kernel中,为各式各样的内存属性与定义了一下条目 
198 static struct mem_type mem_types[] = {
 199         [MT_DEVICE] = {           /* Strongly ordered / ARMv6 shared device */
 200                 .prot_pte       = PROT_PTE_DEVICE | L_PTE_MT_DEV_SHARED |
 201                                   L_PTE_SHARED,
 202                 .prot_l1        = PMD_TYPE_TABLE,
 203                 .prot_sect      = PROT_SECT_DEVICE | PMD_SECT_S,
 204                 .domain         = DOMAIN_IO,
 205         },
 206         [MT_DEVICE_NONSHARED] = { /* ARMv6 non-shared device */
 207                 .prot_pte       = PROT_PTE_DEVICE | L_PTE_MT_DEV_NONSHARED,
 208                 .prot_l1        = PMD_TYPE_TABLE,
 209                 .prot_sect      = PROT_SECT_DEVICE,
 210                 .domain         = DOMAIN_IO,
 211         },
 212         [MT_DEVICE_CACHED] = {    /* ioremap_cached */
 213                 .prot_pte       = PROT_PTE_DEVICE | L_PTE_MT_DEV_CACHED,
 214                 .prot_l1        = PMD_TYPE_TABLE,
 215                 .prot_sect      = PROT_SECT_DEVICE | PMD_SECT_WB,
 216                 .domain         = DOMAIN_IO,
 217         },
 218         [MT_DEVICE_WC] = {      /* ioremap_wc */
 219                 .prot_pte       = PROT_PTE_DEVICE | L_PTE_MT_DEV_WC,
 220                 .prot_l1        = PMD_TYPE_TABLE,
 221                 .prot_sect      = PROT_SECT_DEVICE,
 222                 .domain         = DOMAIN_IO,
 223         },
 224         [MT_UNCACHED] = {
 225                 .prot_pte       = PROT_PTE_DEVICE,
 226                 .prot_l1        = PMD_TYPE_TABLE,
 227                 .prot_sect      = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_XN,
 228                 .domain         = DOMAIN_IO,
 229         },
 230         [MT_CACHECLEAN] = {
 231                 .prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_XN,
 232                 .domain    = DOMAIN_KERNEL,
 233         },
 234 #ifndef CONFIG_ARM_LPAE
 235         [MT_MINICLEAN] = {
 236                 .prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_XN | PMD_SECT_MINICACHE,
 237                 .domain    = DOMAIN_KERNEL,
 238         },
 239 #endif
 240         [MT_LOW_VECTORS] = {
 241                 .prot_pte  = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY |
 242                                 L_PTE_RDONLY,
 243                 .prot_l1   = PMD_TYPE_TABLE,
 244                 .domain    = DOMAIN_USER,
 245         },
 246         [MT_HIGH_VECTORS] = {
 247                 .prot_pte  = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY |
 248                                 L_PTE_USER | L_PTE_RDONLY,
 249                 .prot_l1   = PMD_TYPE_TABLE,
 250                 .domain    = DOMAIN_USER,
 251         },
 252         [MT_MEMORY] = {
 253                 .prot_pte  = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY,
 254                 .prot_l1   = PMD_TYPE_TABLE,
 255                 .prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AP_WRITE,
 256                 .domain    = DOMAIN_KERNEL,
 257         },
 258         [MT_ROM] = {
 259                 .prot_sect = PMD_TYPE_SECT,
 260                 .domain    = DOMAIN_KERNEL,
 261         },
 262         [MT_MEMORY_NONCACHED] = {
 263                 .prot_pte  = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY |
 264                                 L_PTE_MT_BUFFERABLE,
 265                 .prot_l1   = PMD_TYPE_TABLE,
 266                 .prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AP_WRITE,
 267                 .domain    = DOMAIN_KERNEL,
 268         },
 269         [MT_MEMORY_DTCM] = {
 270                 .prot_pte  = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY |
 271                                 L_PTE_XN,
 272                 .prot_l1   = PMD_TYPE_TABLE,
 273                 .prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_XN,
 274                 .domain    = DOMAIN_KERNEL,
 275         },
 276         [MT_MEMORY_ITCM] = {
 277                 .prot_pte  = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY,
 278                 .prot_l1   = PMD_TYPE_TABLE,
 279                 .domain    = DOMAIN_KERNEL,
 280         },
 281         [MT_MEMORY_SO] = {
 282                 .prot_pte  = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY |
 283                                 L_PTE_MT_UNCACHED,
 284                 .prot_l1   = PMD_TYPE_TABLE,
 285                 .prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AP_WRITE | PMD_SECT_S |
 286                                 PMD_SECT_UNCACHED | PMD_SECT_XN,
 287                 .domain    = DOMAIN_KERNEL,
 288         },
 289 };
在以后的建立和维护页表中,Linux Kernel只是在以上各种类型的基础上添加或者删除一些属性使用。比如252~257行的MT_MEMORY属性,在初始化的时候,还会在build_mem_type_table()函数中根据处理器架构的不同,“Adjust the PMD section entries according to the CPU in use”,其函数关键代码为:
paging_init->build_mem_type_table
 300 static void __init build_mem_type_table(void)
 301 {
 302         struct cachepolicy *cp;
 303         unsigned int cr = get_cr();//System control register
 304         pteval_t user_pgprot, kern_pgprot, vecs_pgprot;
 305         int cpu_arch = cpu_architecture();
 306         int i;
 307 
 322         if (is_smp())
 323                 cachepolicy = CPOLICY_WRITEALLOC;// if write miss, first write block to memory ,then read to cache.
 411         /*
 412          * Now deal with the memory-type mappings
 413          */
 414         cp = &cache_policies[cachepolicy];
 415         vecs_pgprot = kern_pgprot = user_pgprot = cp->pte;
 436         if (cpu_arch >= CPU_ARCH_ARMv6 && (cr & CR_XP)) {

 447                 if (is_smp()) {
 448                         /*
 449                          * Mark memory with the “shared” attribute
 450                          * for SMP systems
 451                          */
 452                         user_pgprot |= L_PTE_SHARED;
 453                         kern_pgprot |= L_PTE_SHARED;
 454                         vecs_pgprot |= L_PTE_SHARED;
 455                         mem_types[MT_DEVICE_WC].prot_sect |= PMD_SECT_S;
 456                         mem_types[MT_DEVICE_WC].prot_pte |= L_PTE_SHARED;
 457                         mem_types[MT_DEVICE_CACHED].prot_sect |= PMD_SECT_S;
 458                         mem_types[MT_DEVICE_CACHED].prot_pte |= L_PTE_SHARED;
 459                         mem_types[MT_MEMORY].prot_sect |= PMD_SECT_S;
 460                         mem_types[MT_MEMORY].prot_pte |= L_PTE_SHARED;
 461                         mem_types[MT_MEMORY_NONCACHED].prot_sect |= PMD_SECT_S;
 462                         mem_types[MT_MEMORY_NONCACHED].prot_pte |= L_PTE_SHARED;
 463                 }
 464         }
… 
470         if (cpu_arch >= CPU_ARCH_ARMv6) {

 480         } else {
 481                 mem_types[MT_MEMORY_NONCACHED].prot_sect |= PMD_SECT_BUFFERABLE;//
 482         }
 483

… 
 496         for (i = 0; i < 16; i++) {

 497                 unsigned long v = pgprot_val(protection_map[i]);
 498                 protection_map[i] = __pgprot(v | user_pgprot);
 499         }
 500 
 501         mem_types[MT_LOW_VECTORS].prot_pte |= vecs_pgprot;
 502         mem_types[MT_HIGH_VECTORS].prot_pte |= vecs_pgprot;
 503 
 504         pgprot_user   = __pgprot(L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | user_pgprot);
 505         pgprot_kernel = __pgprot(L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG |
 506                                  L_PTE_DIRTY | kern_pgprot);
 507 
 508         mem_types[MT_LOW_VECTORS].prot_l1 |= ecc_mask;
 509         mem_types[MT_HIGH_VECTORS].prot_l1 |= ecc_mask;
 510         mem_types[MT_MEMORY].prot_sect |= ecc_mask | cp->pmd;
 511         mem_types[MT_MEMORY].prot_pte |= kern_pgprot;
 512         mem_types[MT_MEMORY_NONCACHED].prot_sect |= ecc_mask;
 513         mem_types[MT_ROM].prot_sect |= cp->pmd;
 514 
 515         switch (cp->pmd) {
 516         case PMD_SECT_WT:
 517                 mem_types[MT_CACHECLEAN].prot_sect |= PMD_SECT_WT;
 518                 break;
 519         case PMD_SECT_WB:
 520         case PMD_SECT_WBWA:
 521                 mem_types[MT_CACHECLEAN].prot_sect |= PMD_SECT_WB;
 522                 break;
 523         }
 524         printk(“Memory policy: ECC %sabled, Data cache %sn”,
 525                 ecc_mask ? “en” : “dis”, cp->policy);
 526 
 527         for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(mem_types); i++) {
 528                 struct mem_type *t = &mem_types[i];
 529                 if (t->prot_l1)
 530                         t->prot_l1 |= PMD_DOMAIN(t->domain);
 531                 if (t->prot_sect)
 532                         t->prot_sect |= PMD_DOMAIN(t->domain);
 533         }
 534 }
 535 
414cache_policies的相关定义:
  68 static struct cachepolicy cache_policies[] __initdata = {
  69         {
  70                 .policy         = “uncached”,
  71                 .cr_mask        = CR_W|CR_C,
  72                 .pmd            = PMD_SECT_UNCACHED,
  73                 .pte            = L_PTE_MT_UNCACHED,
  74         }, {
  75                 .policy         = “buffered”,
  76                 .cr_mask        = CR_C,
  77                 .pmd            = PMD_SECT_BUFFERED,
  78                 .pte            = L_PTE_MT_BUFFERABLE,
  79         }, {
  80                 .policy         = “writethrough”,
  81                 .cr_mask        = 0,
  82                 .pmd            = PMD_SECT_WT,
  83                 .pte            = L_PTE_MT_WRITETHROUGH,
  84         }, {
  85                 .policy         = “writeback”,
  86                 .cr_mask        = 0,
  87                 .pmd            = PMD_SECT_WB,
  88                 .pte            = L_PTE_MT_WRITEBACK,
  89         }, {
  90                 .policy         = “writealloc”,
  91                 .cr_mask        = 0,
  92                 .pmd            = PMD_SECT_WBWA,
  93                 .pte            = L_PTE_MT_WRITEALLOC,
  94         }
  95 };
根据323行的定义,使用了最后一项即 8994行,所以build_mem_type_table415行的:
vecs_pgprot = kern_pgprot = user_pgprot = cp->pte的值为:L_PTE_MT_WRITEALLOC.
ecc_mask: 未知,貌似是用来校验的。
cp->pmd:PMD_SECT_WBWA
529~533行,设置了对应的domain
PMD_DOMAIN(t->domain): 
24 #define PMD_DOMAIN(x)           (_AT(pmdval_t, (x)) << 5)

关于Domain,Linux Kernel 对Domain的index定义了如下的宏:
arch/arm/include/asm/domain.h
31 #ifndef CONFIG_IO_36

32 #define DOMAIN_KERNEL 0

33 #define DOMAIN_TABLE 0

34 #define DOMAIN_USER 1

35 #define DOMAIN_IO 2

36 #else

37 #define DOMAIN_KERNEL 2

38 #define DOMAIN_TABLE 2

39 #define DOMAIN_USER 1

40 #define DOMAIN_IO 0

41 #endif

42

所以,这个宏定义的x=DOMAIN_KERNEL=2

根据build_mem_type_table的修正,假设在ARM V7的处理器前提下,MT_MEMORY的属性为:
 252         [MT_MEMORY] = {
 253                 .prot_pte  = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY| L_PTE_MT_WRITEALLOC | L_PTE_SHARED,
 254                 .prot_l1   = PMD_TYPE_TABLE | PMD_DOMAIN(t->domain),
 255                 .prot_sect = PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AP_WRITE| PMD_SECT_WBWA | ecc_mask|0<<5|PMD_SECT_S,
 256                 .domain    = DOMAIN_KERNEL,
 257         },
以上是Linux Kernel作为软件,把PTE的属性和L1以及SECT的属性都已经设置完成了

下面,看一下ARM V7提供的硬件机制:
内嵌图片 1
本文只关注前两排,后面的Supersection不关注。
把上面的MT_MEMORY的属性中的section部分的值单独拿出来:
PMD_TYPE_SECT | PMD_SECT_AP_WRITE| PMD_SECT_WBWA | ecc_mask|0<<5,
PMD_TYPE_SECT:2<<0
PMD_SECT_AP_WRITE:1<<10
PMD_SECT_WBWA:1<<3 | 1<<2 |  1<<12
019对应的二进制:
0 0 0 1 0 001 01 0 0000 0 1 1 10
即:
nG S AP[2] Tex[2:0]   AP[1:0] Domain  C B
0  1  0        01           01      0             1 1
AP 001 Privileged access only。即MT_MEMORY的权限为:进程在Kernel Mode下可以任意读写,在User Mode下是不可访问的。

另外,除了访问权限的属性外,还需要提供Shareable, Bufferable, Cacheable的信息。他们的信息由PTE中的TEX位域以及ARM硬件的PRRR和NMRR寄存器提供。

PRRR的全称是:(Prime Region Remap Register)
NMRR的全称是:(Normal Memory Remap Register)

对于ARMV7,Linux Kernel 将其值设置为:

arch/arm/mm/proc-v7-2level.S
PRRR: 0xff0a81a8
NMRR: 0x40e040e0
分析一下PRRR:
PRRR,可以分为4个部分,各个部分共同决定shareable的状态。
015位:每两位作为一个unit,说明类型是Normal Memory 还是 Device Memory Strongly-ordered.
16 17位:如果是Device MemoryS=0或者1时,对应的区域是shareable还是non-shareable
18 19位:如果是Normal Memory S=0或者1时,对应的区域是shareable还是non-shareable
20~23 SBZ
24~31位:每一位都是指 Outer Shareable 还是Inner Shareable。当是1,则为Outer Shareable
Linux PRRR24~31位都是0b1,说明都是inner Shareable.

注1:shareable,用于描述multi-processores的cache的属性。可以分为inner shareable和outer shareable. 
若某块cache是inner shareable的,那么该cache所在的inner domain的observers对该cache的访问是transparent或者coherent。 这里transparent的意思是:observers可以对该cache随便access,而不会发生数据不一致的情况。如果某块cache不是inner shareable,则一定是outer shareable(虽然ARM还定义了non-shareable,但软件一般不利用这个概念). 

对照上文Tex[0]:1 C:1 B:1 决定n7(其映射表实际上也是一句二进制转化为十进制来决定的n的值08
所以,此段Memory地址的类型由[1415]位决定。PRRR中对应位的值是0b10,所以为Normal Memory;又由于其S=1的,所以看第[19]位,19位是1,说明是Shareable的;又[31]位是1,说明是Inner Shareable
因此,Section默认的cache状态:Inner Shareable, Normal Memory
下面分析一下NMRR:
NMRR分为两部分0~15 16~31.
16~31: Outer Cacheable property
15~0Inner Cacheable property
每两位作一个unit,其值代表的意义
00  Region is Non-cacheable
01  Region is Write-Back, WriteAllocate
10  Region is WriteThrough, Non-WriteAllocate
11  Region is Write-Back, Non-WriteAllocate.
Linux中,其默认的值为0x40e040e0,前16位和后16位是一样的。
对于Section PGD的值,其默认的Tex[0]:1 C:1 B:1,因此:n=7
所以outer cacheableproperty 31:31位,inner cacheableproperty 15:14位。
其值都为0b01,所以outer cacheable  Inner cacheable都是WBWA.
综上,对于section的映射,其属性 outer and inner cache 都是WBWA,而且inner cache shareable的。
下面看一下PTE的属性
Pte的属性设置为:
  .prot_pte  = L_PTE_PRESENT | L_PTE_YOUNG | L_PTE_DIRTY| L_PTE_MT_WRITEALLOC | L_PTE_SHARED,
再参考(真正做的操作是黑色粗体部分):

 76 ENTRY(cpu_v7_set_pte_ext)
 77 #ifdef CONFIG_MMU
 78         str     r1, [r0]                        @ linux version
 79
 80         bic     r3, r1, #0x000003f0
 81         bic     r3, r3, #PTE_TYPE_MASK
 82         orr     r3, r3, r2
 83         orr     r3, r3, #PTE_EXT_AP0 | 2
 84
 85         tst     r1, #1 << 4
 86         orrne   r3, r3, #PTE_EXT_TEX(1)
 87
 88         eor     r1, r1, #L_PTE_DIRTY
 89         tst     r1, #L_PTE_RDONLY | L_PTE_DIRTY
 90         orrne   r3, r3, #PTE_EXT_APX
 91
 92         tst     r1, #L_PTE_USER
 93         orrne   r3, r3, #PTE_EXT_AP1
 94 #ifdef CONFIG_CPU_USE_DOMAINS
 95         @ allow kernel read/write access to read-only user pages
 96         tstne   r3, #PTE_EXT_APX
 97         bicne   r3, r3, #PTE_EXT_APX | PTE_EXT_AP0
 98 #endif
 99
100         tst     r1, #L_PTE_XN
101         orrne   r3, r3, #PTE_EXT_XN
102
103         tst     r1, #L_PTE_YOUNG
104         tstne   r1, #L_PTE_PRESENT
105         moveq   r3, #0

注意一点:
88~90行:如果Linux版本的pte没有被设置为dirty(实际上,可以当作write),APX位一定会被置位的。这样AP[2:1:0]的值为101,所带来的结果是,Privileged read-only. user permissions No access.
此时,若Linux版本的Pte被设置为L_PTE_USER,则AP[2:1:0]的值为:111,其效应是:Privileged and User read-only(这个只对ARM V7有效。在V6中是reserved的)。若88~90行的APX没有被置位,则AP[2:1:0]的值为:011,其效应是:Full access。
所以AP[2…0]的设置情况是:
1.AP[0]一定置1.
2.若L_PTE_USER设置了,则AP[1]被设置。
3.若L_PTE_DIRTY不设置,则AP[2]必为1,反之,若设置了L_PTE_RDONLY,则AP[1]也会置1.若同时设置了L_PTE_DIRTY和L_PTE_RDONLY,AP[2]也会置1(只是这样的话,貌似互相矛盾了,不过,在设置的时候,还是设置了RDONLY的)
AP对应的权限表为:
AP[2..0]
Privileged
User
Notes
000
No Access
No Access
001
RW
No Access
010
RW
R
011
RW
RW
100
-
-
Reserved
101
R
No Access
110
R
R
Deprecated
111
R
R

最终:

nG S AP[2] TEX[2:0] | AP[1:0] | C | B| 1 | XN
0    1    0       001            01       1  1   1   0

AP[2:1:0]: 001 Privileged access only
Cache的属性:n=7,所以,查PRRRNMRR
其属性 outer and inner cache 都是WBWA,而且inner cache shareable的(和Section相同)

唯一不同的是ap[0]的定义。奇怪呢。

注1:添加于2013.09.13

From Li Haifeng's Blog, post Linux/ARM Page Table Entry 属性设置分析

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