AArch64 Linux 上的記憶體佈局

作者：Catalin Marinas <catalin.marinas@arm.com>

本文件描述了 AArch64 Linux 核心使用的虛擬記憶體佈局。該架構允許最多 4 級轉換表，頁面大小為 4KB，以及最多 3 級，頁面大小為 64KB。

AArch64 Linux 使用 3 級或 4 級轉換表，配置為 4KB 頁面，允許使用者和核心分別使用 39 位 (512GB) 或 48 位 (256TB) 虛擬地址。使用 64KB 頁面時，僅使用 2 級轉換表，允許 42 位 (4TB) 虛擬地址，但記憶體佈局相同。

ARMv8.2 增加了對大型虛擬地址空間的可選支援。 這僅在使用 64KB 頁面大小時可用，並擴充套件了第一級轉換中的描述符數量。

TTBRx 選擇由虛擬地址的第 55 位給出。 swapper_pg_dir 僅包含核心（全域性）對映，而使用者 pgd 僅包含使用者（非全域性）對映。 swapper_pg_dir 地址寫入 TTBR1，從不寫入 TTBR0。

當使用沒有虛擬化主機擴充套件的 KVM 時，hypervisor 會在 EL2 中以相對於線性對映的固定（且可能隨機）偏移量對映核心頁面。 有關更多詳細資訊，請參閱 kern_hyp_va 宏和 kvm_update_va_mask 函式。 當為特定 CPU 啟用 ARM64_SPECTRE_V3A 時，GICv2 等 MMIO 裝置會對映到 HYP idmap 頁面旁邊，向量也會對映到旁邊。

當使用帶有虛擬化主機擴充套件的 KVM 時，不會建立其他對映，因為主機核心直接在 EL2 中執行。

核心中的 52 位 VA 支援

如果存在 ARMv8.2-LVA 可選功能，並且我們正在使用 64KB 頁面大小執行，則可以為使用者空間和核心地址使用 52 位的地址空間。 但是，任何支援 52 位的核心二進位制檔案也必須能夠在早期啟動時回退到 48 位，如果硬體功能不存在。

這種回退機制需要核心 .text 位於較高的地址中，以便它們對 48/52 位 VA 不變。 由於 kasan 陰影是整個核心 VA 空間的一小部分，因此 kasan 陰影的末尾也必須位於核心 VA 空間的較高一半中，對於 48/52 位。（從 48 位切換到 52 位，kasan 陰影的末尾是不變的，並且依賴於 ~0UL，而起始地址將“增長”到較低的地址）。

為了最佳化 phys_to_virt 和 virt_to_phys，PAGE_OFFSET 保持恆定為 0xFFF0000000000000（對應於 52 位），這消除了額外變數讀取的需要。 physvirt 偏移量和 vmemmap 偏移量在早期啟動時計算，以啟用此邏輯。

由於單個二進位制檔案需要同時支援 48 位和 52 位 VA 空間，因此 VMEMMAP 的大小必須足夠大，以容納 52 位 VA，並且必須足夠大，以容納固定的 PAGE_OFFSET。

核心中的大多數程式碼都不需要考慮 VA_BITS，對於確實需要知道 VA 大小的程式碼，變數定義如下

VA_BITS 常量，最大 VA 空間大小

VA_BITS_MIN 常量，最小 VA 空間大小

vabits_actual 變數，實際 VA 空間大小

最大和最小大小對於確保緩衝區的大小足夠大，或者地址的位置足夠接近“最壞”情況可能很有用。

52 位使用者空間 VA

為了保持與依賴於 ARMv8.0 VA 空間最大大小 48 位的軟體的相容性，核心預設將從 48 位範圍返回虛擬地址給使用者空間。

軟體可以透過指定大於 48 位的 mmap 提示引數來“選擇加入”從 52 位空間接收 VA。

例如

maybe_high_address = mmap(~0UL, size, prot, flags,...);

也可以透過啟用以下核心配置選項來構建一個從 52 位空間返回地址的除錯核心

CONFIG_EXPERT=y && CONFIG_ARM64_FORCE_52BIT=y

請注意，此選項僅用於除錯應用程式，不應在生產中使用。