linux内核固定映射解析

前言：
新版本的内核对于保存在IDTR寄存器中的IDT表地址使用的是内核固定映射线性地址，所以在这里再把内核中固定映射的寻址机制描述一下。

一、固定映射概念
内核线性地址第四个GB的初始部分映射系统的物理内存。但是至少128M的线性地址总是留作他用，因为内核使用这些线性地址实现非连续内存分配和固定映射的线性地址。

固定映射地址类似于常量线性地址，其对应的物理地址不必等于线性地址减去0xc0000000,而是可以以任意方式建立。因此每个固定映射的线性地址都映射一个物理内存的页框。

每个固定映射的线性地址都存放在线性地址第四个GB的末端。

二、固定映射线性地址
每个固定映射线性地址都有fixed_addresses结构中的索引来指定(只列出部分32位模式)。
enum fixed_addresses {
#ifdef CONFIG_X86_32
 FIX_HOLE,
 FIX_VDSO,
#else
 VSYSCALL_LAST_PAGE,
 VSYSCALL_FIRST_PAGE = VSYSCALL_LAST_PAGE
  + ((VSYSCALL_END-VSYSCALL_START) >> PAGE_SHIFT) - 1,
 VVAR_PAGE,
 VSYSCALL_HPET,
 #ifdef CONFIG_PARAVIRT_CLOCK
  PVCLOCK_FIXMAP_BEGIN,
  PVCLOCK_FIXMAP_END = PVCLOCK_FIXMAP_BEGIN+PVCLOCK_VSYSCALL_NR_PAGES-1,
 #endif
#endif
 FIX_DBGP_BASE,
 FIX_EARLYCON_MEM_BASE,
#ifdef CONFIG_PROVIDE_OHCI1394_DMA_INIT
 FIX_OHCI1394_BASE,
#endif
#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
 FIX_APIC_BASE,  /* local (CPU) APIC) -- required for SMP or not */
#endif
#ifdef CONFIG_X86_IO_APIC
 FIX_IO_APIC_BASE_0,
 FIX_IO_APIC_BASE_END = FIX_IO_APIC_BASE_0 + MAX_IO_APICS - 1,
#endif
#ifdef CONFIG_X86_VISWS_APIC
 FIX_CO_CPU,     /* Cobalt timer */
 FIX_CO_APIC,    /* Cobalt APIC Redirection Table */
 FIX_LI_PCIA,    /* Lithium PCI Bridge A */
 FIX_LI_PCIB,    /* Lithium PCI Bridge B */
#endif
 FIX_RO_IDT,     /* Virtual mapping for read-only IDT */
#ifdef CONFIG_X86_32
 FIX_KMAP_BEGIN, /* reserved pte's for temporary kernel mappings */
 FIX_KMAP_END = FIX_KMAP_BEGIN+(KM_TYPE_NR*NR_CPUS)-1,
 #ifdef CONFIG_PCI_MMCONFIG
  FIX_PCIE_MCFG,
 #endif
#endif
#ifdef CONFIG_PARAVIRT
 FIX_PARAVIRT_BOOTMAP,
#endif
 FIX_TEXT_POKE1, /* reserve 2 pages for text_poke() */
 FIX_TEXT_POKE0, /* first page is last, because allocation is backward */
#ifdef  CONFIG_X86_INTEL_MID
 FIX_LNW_VRTC,
#endif
 __end_of_permanent_fixed_addresses,

#define NR_FIX_BTMAPS           64
#define FIX_BTMAPS_SLOTS        4
#define TOTAL_FIX_BTMAPS        (NR_FIX_BTMAPS * FIX_BTMAPS_SLOTS)

 FIX_BTMAP_END =
 (__end_of_permanent_fixed_addresses ^
 (__end_of_permanent_fixed_addresses + TOTAL_FIX_BTMAPS - 1)) &
 -PTRS_PER_PTE
 ? __end_of_permanent_fixed_addresses + TOTAL_FIX_BTMAPS -
 (__end_of_permanent_fixed_addresses & (TOTAL_FIX_BTMAPS - 1))
 : __end_of_permanent_fixed_addresses,
  
 FIX_BTMAP_BEGIN = FIX_BTMAP_END + TOTAL_FIX_BTMAPS - 1,
#ifdef CONFIG_X86_32
 FIX_WP_TEST,
#endif
#ifdef CONFIG_INTEL_TXT
 FIX_TBOOT_BASE,
#endif
 __end_of_fixed_addresses
};

三、固定映射线性地址的映射
内核使用set_fixmap(idx,phys)和set_fixmap_nocache(idx, phys)来建立固定线性地址与物理地址的映射。通过clear_fixmap(idx)解除固定线性地址的映射。

//idx是fixed_addresses结构中的索引值，即指定固定线性地址，phys是物理地址
#define set_fixmap(idx, phys) __set_fixmap(idx, phys, PAGE_KERNEL)
//禁用硬件高速缓存
#define set_fixmap_nocache(idx, phys)     \
                __set_fixmap(idx, phys, PAGE_KERNEL_NOCACHE)

#define clear_fixmap(idx)    _set_fixmap(idx, 0, __pgprot(0))

//这两个函数都调用__set_fixmap函数，只是第二个禁用硬件高速缓存，这样线性地址到物理地址的转换不会保存在硬件高速缓存中（即TLB）。
static inline void __set_fixmap(enum fixed_addresses idx,phys_addr_t phys, pgprot_t flags)
{
    native_set_fixmap(idx, phys, flags);
}

void native_set_fixmap(enum fixed_addresses idx, phys_addr_t phys,pgprot_t flags)
{
    //phys >> PAGE_SHIFT：获得该物理地址所在物理内存中的页面序号，即页框号。
    //pfn_pte函数根据flags标志设置该页表项的内容（列入设置为只读属性），然后返回该物理地址的回应的页表项。
    __native_set_fixmap(idx, pfn_pte(phys >> PAGE_SHIFT, flags));
}

void __native_set_fixmap(enum fixed_addresses idx, pte_t pte)
{
    //根据索引号获得该固定映射的线性地址
    unsigned long address = __fix_to_virt(idx);

    //是否超出固定映射线性地址的尾部索引号
    if (idx >= __end_of_fixed_addresses) {
        BUG();
        return;
    }

    //用idt_table所在物理页框对应的页表项内容与固定映射的线性地址联系起来，即完成了映射
    set_pte_vaddr(address, pte);
    fixmaps_set++;//设置固定线性地址映射计数
}

//从固定映射线性地址的最大地址0xfffff000往下减就可得到该索引号对应的固定线性地址（间隔是一页的大小），其实也可以看出对于前边结构中连续的idx索引值，它能映射的空间都是一页的大小，即4K。
unsigned long __FIXADDR_TOP = 0xfffff000;
#define __fix_to_virt(x)    (FIXADDR_TOP - ((x) << PAGE_SHIFT))