Arm中的巨页映射

 

1、Arm中的二级映射（基于Armv7）

Linux中，arm架构下的虚拟内存管理主要用到了1M段映射和4K小页表映射。其中4K小页表映射为二级映射。按照目前内核代码的设置，从硬件角度看，二级映射第一级有4096个entry，第二级有256个entry，每个entry占用32个bit。也就是虚拟地址的bit[20]至bit[31]用于一级页表偏移，bit[12]至bit[19]用于二级页表偏移。
 

Linux页表管理也是分级结构，为了和arm硬件相匹配，只使用pgd和pte（pmd等于pgd），那么也就构成了软件上的两级结构。

下面看看硬件二级页表的位信息：

可见小页表映射的二级页表entry中的位基本上都被硬件使用了，且并没有linux中pte_t需要的accessed、dirty等位，这样就和linux的页表管理有些出入；另外linux希望pte页表本身也是一个页面大小（4K），而现在256个entry，也才1K。

因此linux内核在实现上做了些细微的调整，第一级有2048个entry，每个entry为8个byte，对于第一级的每个entry，第二级是两个连续的pte与之对应，同时接下来紧跟着两个软件版本的pte（linux pte），这两个pte不为硬件所使用，但可以在这两个pte中加入linux页面管理所需要的字段信息，满足linux自身页表管理需求。

相应的与一个pgd_t对应的二级页表有512个entry（硬件使用的entry），加上两个linux pte（总共也是512个entry），就构成了一个完整的4K大小的“pte”。一个pgd_t对应两个硬件一级entry，一个pte对应两个连续硬件二级页表。
 

2、Arm巨页映射

先看看根据第一节的描述绘制的4K二级映射图（操作系统层面）：

与之对应的硬件层面映射关系如下：

Arm巨页映射利用了操作系统层面的映射关系，一个pgd_t（pmd_t）映射256*2*4K = 2M，所不同的是巨页映射中，要求最后映射的4K页面是连续的，也就是每个pte_t指向的页面是连续关系，且要求这样的一个映射能对应1个tlb entry。对于软件层面的要求，硬件如何支持？巨页的目的是减少映射entry数量，降低tlb miss情况，可见基于4K的二级映射实际上不能满足要求。

我们来看看tlb能支持的映射规格：

映射关系	映射大小	N值
超级段	16M	24
段	1M	20
大页	64K	16
小页	4K	12

N值指页面大小或者块大小所占用的位数，就是说在tlb进行扫描时，是通过虚拟地址的bits[31:N]来进行匹配的。Arm巨页映射补丁目前选择段进行巨页映射支持。其关键步骤上利用4K页面分配连续物理内存，达到2M，然后使用1M段映射，对分配连续页面进行映射，两个连续的段映射entry即可完成对2M内存的映射，tlb对应使用两个entry。

通过这样的修改，tlb entry的使用将大大减少。

 注意，此时虽然硬件上的映射已经上只有一级的段映射，但是linux管理上还是分级的，还是有pgd、pmd、pte等。