Arm-kernel 内存收集

Linux kernel的内存管理子系统非常复杂，为了深入了解内存管理系统，我打算分多篇文章来分析linux内存管理。本文就谈谈kernel如何收集物理内存的地址空间和大小等信息。

 

嵌 入式arm处理器与我们平时接触到的intel处理器有点不一样，intel处理器可以通过主板或者BIOS代码来自动检测物理内存的大小。但arm处理 器下的嵌入式系统没有这么幸运了，它必须由bootloader手工（或硬编码）的方式来获知kernel板上物理内存的开始地址和大小。

 

实 际上，除了物理内存信息外，命令行参数，视频卡信息和randisk信息，都是通过bootloader一一告知kernel的。Bootloader和 kernel之间必须有某种约定，才能方便让两者之间传递信息。实事上，arm-kernel约定bootloader按如下的要求来存放这些信息：

 

1.在bootloader跳到kernel执行时，r2寄存器值为存放这些信息的首地址。

2.上述各子信息必须按一定的格式来组合起来。

 

在arm-kernel里面，每个子信息项称为atag.  Struct tag的定义如下：

 

struct tag {
    struct tag_header hdr;
    union {
        struct tag_core     core;
        struct tag_mem32    mem;
        struct tag_videotext    videotext;
        struct tag_ramdisk  ramdisk;
        struct tag_initrd   initrd;
        struct tag_serialnr serialnr;
        struct tag_revision revision;
        struct tag_videolfb videolfb;
        struct tag_cmdline  cmdline;
        struct tag_acorn    acorn;
        struct tag_memclk   memclk;
    } u;
};

 

struct tag_header hdr类似于头部标识的作用，它用于标识后面的union的类型，以及此种结构占用内存的大小。 后面union表示，每个tag可以是上面几种信息其中的一种。

上图就是各种tag组合成tags的一个实例。Hdr里面记录后的是哪种tag，整个tag的长度是多少，这样很方跳到下一个tag去。Hdr的类型是struct tag_header，定义如下：

 

struct tag_header {
    __u32 size;
    __u32 tag;
};

为了方便分析，假定kernel已经知道了tags的地址，那么它调用parse_tags函数来对各个tags进行分析，代码如下：

[arch/arm/kernel/setup.c]
static void __init parse_tags(const struct tag *t)
{
    for (; t->hdr.size; t = tag_next(t))
        if (!parse_tag(t))
            printk(KERN_WARNING
                "Ignoring unrecognised tag 0x%08x\n",
                t->hdr.tag);
}

 

Tags 假定，在排好各个tag之后，后面要跟一个hdr.size为0的空tag。所以在for中，利用t->hdr.size 为0作为结束条件。而t = tag_next(t) 就是利用t->hdr.size的大小跳到下一个tag的。tag_next定义如下：

 

#define tag_next(t) ((struct tag *)((__u32 *)(t) + (t)->hdr.size))

 

而parse_tag函数就对t所指向的tag进行分析，代码如下：

static int __init parse_tag(const struct tag *tag)
{
    extern struct tagtable __tagtable_begin, __tagtable_end;
    struct tagtable *t;

    for (t = &__tagtable_begin; t < &__tagtable_end; t++)
        if (tag->hdr.tag == t->tag) {
            t->parse(tag);
            break;
        }

    return t < &__tagtable_end;
}

这 里又使用了kernel惯用技巧，就是把各种atag关联的处理函数结构定义到一个特殊的section里面，然后在链接 时，__tagtable_begin就是该section的开始地址，而__tagtable_end则是它的结束地址。从parse_tag函数可以 使用，编译后该section就是一个struct tagtable数组，类型tagtable定义如下：

 

struct tagtable {
    __u32 tag;
    int (*parse)(const struct tag *);
};

 

tag 是它所描述的tag类型，而parse则就此种类型atag的分析处理函数。结合parse_tag函数可知，tagtable数组就是定义好各种 atag的处理函数，当bootloader将atags传递到kernel里，kernel依次检查各atag的类型，然后查表（tagtable）调 用它的处理函数。

 实例上，bootloader向kernel传递的atags种类较多，它们各有各的用途，本文主要分析kernel是如何收集物理内存信息的。因此，我们只关心类型为ATAG_MEM的tag。我们先看ATAG_MEM类型的tagtable定义：

#define __tag __used __attribute__((__section__(".taglist.init")))
#define __tagtable(tag, fn) \
static struct tagtable __tagtable_##fn __tag = { tag, fn }

__tagtable(ATAG_MEM, parse_tag_mem32);

 

从这种tagtable的定义可以看出，ATAG_MEM这种tag的处理函数是parse_tag_mem32，它的代码如下：

static int __init parse_tag_mem32(const struct tag *tag)
{
    return arm_add_memory(tag->u.mem.start, tag->u.mem.size);
}

 

当tag->hdr.tag 为ATAG_MEM时，tag.u的数据为mem成员有效，而mem成员是下面这种类型的：

struct tag_mem32 {
    __u32   size;
    __u32   start;  /* physical start address */
};

 

故 parse_tag_mem32函数，将物理内存的信息传递并调用arm_add_memory函数。在arm-kernel的启动阶段，它使用一个叫 meminfo的数据结构来记录系统的所有物理内存。在arm系统架构中，SDRAM是连接到arm的bank里的，即物理内存是分bank的。故 meminfo的类型，也是类似的，它的定义如下：

 

struct membank {
    unsigned long start;
    unsigned long size;
    int           node;
};

struct meminfo {
    int nr_banks;
    struct membank bank[NR_BANKS];
};

 

Nr_banks记录当前meminfo已存放多少个bank，而bank[i]成员则记录第i个bank内存的开始地址和大小。

毫无疑问，arm_add_memory函数的工作就是它atags里面的物理内存信息增加到meminfo结构是，代码如下：

 

static int __init arm_add_memory(unsigned long start, unsigned long size)
{
    struct membank *bank = &meminfo.bank[meminfo.nr_banks];

    if (meminfo.nr_banks >= NR_BANKS) {
        printk(KERN_CRIT "NR_BANKS too low, "
            "ignoring memory at %#lx\n", start);
        return -EINVAL;
    }

    /* 使start和size均为PAGE_SIZE(即4K) 的倍数
     * 其中start以4K向上取整，而size则以4K向下取整
     */
    size -= start & ~PAGE_MASK;
    bank->start = PAGE_ALIGN(start);
    bank->size  = size & PAGE_MASK;
    bank->node  = PHYS_TO_NID(start);

    /*
     * Check whether this memory region has non-zero size or
     * invalid node number.
     */
    if (bank->size == 0 || bank->node >= MAX_NUMNODES)
        return -EINVAL;

    meminfo.nr_banks++;
    return 0;
}

 

当处理完所有的atags后，meminfo数据结构所描述的信息，就是个开发板上的物理内存信息。为了获得更直观的运行结果，我在arm_add_memory函数添加了如下的打印代码：

Printk(KERN_ERR “add memory bank(%d) 0x%08lx-0x%08lx\n”,

Meminfo.nr_banks, bank->start, bank->start + bank->size);

 

便可获知开发板上的物理内存情况了。就天嵌的s3c2440开板来说，它的SDRAM是接到bank6里面，故它的起始地址是0x3000000，大小是64M，它的结束地址是0x32000000。

 

尽管知道parse_tag是用于收到物理内存信息的，但仍不知道它是在何处被调用的。其实它是在启动阶段进行收集的，它的调用关系如下：

Start_kernel() -> setup_arch() -> parse_tags()

 

当执行完parse_tags函数，那么meminfo结构就收集完了物理内存信息。接下来的事情就是建立最终的内核空间的页表，以及建立临时的内存管理系统和初始化所有的物理页。