6. 2.5页表的建立

前面已经建立了为内存页面管理所需的数据结构，现在是进一步完善页面映射机制，并且建立起内存页面映射管理机制的时候了，与此相关的主要函数有：

· paging_init() 函数

· pagetable_init() 函数

1．paging_init() 函数

这个函数仅被调用一次，即由setup_arch()调用以建立页表，对此函数的具体描述如下：

pagetable_init();

这个函数实际上才真正地建立页表，后面会给出详细描述.

__asm__( "movl %%ecx,%%cr3\n" ::"c"(__pa(swapper_pg_dir)));

因为pagetable_init()已经建立起页表，因此把swapper_pg_dir（页目录）的地址装入CR3寄存器。

#if CONFIG_X86_PAE

/*

* We will bail out later - printk doesnt work right now so

* the user would just see a hanging kernel.

*/

if (cpu_has_pae)

set_in_cr4(X86_CR4_PAE);

#endif

__flush_tlb_all();

上面这一句是个宏，它使得转换旁路缓冲区（TLB）无效。TLB总是要维持几个最新的虚地址到物理地址的转换。每当页目录改变时，TLB就需要被刷新。

#ifdef CONFIG_HIGHMEM

kmap_init();

#endif

如果使用了CONFIG_HIGHMEM选项, 就要对大于896MB的内存进行初始化，我们不准备对这部分内容进行详细讨论。

{

unsigned long zones_size[MAX_NR_ZONES] = {0, 0, 0};

unsigned int max_dma, high, low;

max_dma = virt_to_phys((char *)MAX_DMA_ADDRESS)

>> PAGE_SHIFT;

低于16MB的内存只能用于DMA，因此，上面这条语句用于存放16MB的页面

low = max_low_pfn;

high = highend_pfn;

if (low < max_dma)

zones_size[ZONE_DMA] = low;

else {

zones_size[ZONE_DMA] = max_dma;

zones_size[ZONE_NORMAL] = low - max_dma;

#ifdef CONFIG_HIGHMEM

zones_size[ZONE_HIGHMEM] = high - low;

#endif

}

计算三个管理区的大小，并存放在zones_size数组中。三个管理区是：

ZONE_DMA：从0～16MB分配给这个区

ZONE_NORMAL：从16MB～896MB分配给这个区

ZONE_DMA ：896MB以上分配给这个区

free_area_init(zones_size);

}

return;

这个函数用来初始化内存管理区并创建内存映射表，详细介绍参见后面内容。

2．pagetable_init()函数

这个函数真正地在页目录swapper_pg_dir中建立页表，描述如下：

unsigned long vaddr, end;

pgd_t *pgd, *pgd_base;

int i, j, k;

pmd_t *pmd;

pte_t *pte, *pte_base;

/*

* This can be zero as well - no problem, in that case we exit

* the loops anyway due to the PTRS_PER_* conditions.

*/

end = (unsigned long)__va(max_low_pfn*PAGE_SIZE);

计算max_low_pfn 的虚拟地址，并把它存放在end.中。

pgd_base = swapper_pg_dir;

让pgd_base (页目录基地址) 指向 swapper_pg_dir.

#if CONFIG_X86_PAE

for (i = 0; i < PTRS_PER_PGD; i++)

set_pgd(pgd_base + i, __pgd(1 + __pa(empty_zero_page)));

#endif

如果PAE 被激活， PTRS_PER_PGD就为4，且变量 swapper_pg_dir 用作页目录指针表，宏set_pgd() 定义于 include/asm-i386/pgtable-3level.h.中。

i = __pgd_offset(PAGE_OFFSET);

pgd = pgd_base + i;

宏__pgd_offset()在给定地址的页目录中检索相应的下标。因此__pgd_offset(PAGE_OFFSET)返回0x300 (或 十进制768 )，即内核地址空间开始处的下标。因此，pgd现在指向页目录表的第768项。

for (; i < PTRS_PER_PGD; pgd++, i++) {

vaddr = i*PGDIR_SIZE;

if (end && (vaddr >= end))

break;

如果使用了CONFIG_X86_PAE选项， PTRS_PER_PGD 就为4，否则，一般情况下它都为1024，即页目录的项数。PGDIR_SIZE给出一个单独的页目录项所能映射的RAM总量，在两级页目录中它为4MB，当使用CONFIG_X86_PAE选项时，它为1GB。计算虚地址vaddr，并检查它是否到了虚拟空间的顶部。

#if CONFIG_X86_PAE

pmd = (pmd_t *) alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);

set_pgd(pgd, __pgd(__pa(pmd) + 0x1));

#else

pmd = (pmd_t *)pgd;

#endif

如果使用了CONFIG_X86_PAE选项，则分配一页（4K）的内存给bootmem分配器用，以保存中间页目录，并在总目录中设置它的地址。否则，没有中间页目录，就把中间页目录直接映射到总目录。

if (pmd != pmd_offset(pgd, 0))

BUG();

for (j = 0; j < PTRS_PER_PMD; pmd++, j++) {

vaddr = i*PGDIR_SIZE + j*PMD_SIZE;

if (end && (vaddr >= end))

break;

if (cpu_has_pse) {

unsigned long __pe;

set_in_cr4(X86_CR4_PSE);

boot_cpu_data.wp_works_ok = 1;

__pe = _KERNPG_TABLE + _PAGE_PSE + __pa(vaddr);

/* Make it "global" too if supported */

if (cpu_has_pge) {

set_in_cr4(X86_CR4_PGE);

__pe += _PAGE_GLOBAL;

}

set_pmd(pmd, __pmd(__pe));

continue;

}

现在，开始填充页目录（如果有PAE，就是填充中间页目录）。计算表项所映射的虚地址，如果没有激活PAE， PMD_SIZE大小就为0，因此，vaddr = i * 4MB。例如，表项0x300所映射的虚地址为0x300 * 4MB = 3GB。接下来，我们检查PSE（Page Size Extension)是否可用，如果是，就要避免使用页表而直接使用4MB的页。宏cpu_has_pse（）用来检查处理器是否具有扩展页，如果有，则宏set_in_cr4()就启用它。

从PentiumII处理器开始，就可以有附加属性PGE (Page Global Enable)。当一个页被标记为全局的，且设置了PGE，那么，在任务切换发生或CR3被装入时，就不能使该页所在的页表（或页目录项）无效。这将提高系统性能，也是让内核处于3GB以上的原因之一。选择了所有属性后，设置中间页目录项。

pte_base = pte = (pte_t *)

alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);

如果PSE不可用，就执行这一句，它为一个页表（4K）分配空间。

for (k = 0; k < PTRS_PER_PTE; pte++, k++) {

vaddr = i*PGDIR_SIZE + j*PMD_SIZE + k*PAGE_SIZE;

if (end && (vaddr >= end))

break;

在一个页表中有1024个表项（如果启用PAE，就是512个），每个表项映射4K（1页）。

*pte = mk_pte_phys(__pa(vaddr), PAGE_KERNEL);

}

宏mk_pte_phys()创建一个页表项，这个页表项的物理地址为__pa(vaddr)。属性PAGE_KERNEL表示只有在内核态才能访问这一页表项。

set_pmd(pmd, __pmd(_KERNPG_TABLE + __pa(pte_base)));

if (pte_base != pte_offset(pmd, 0))

BUG();

}

}

通过调用set_pmd()把该页表追加到中间页目录中。这个过程一直继续，直到把所有的物理内存都映射到从PAGE_OFFSET开始的虚拟地址空间。

/*

* Fixed mappings, only the page table structure has to be

* created - mappings will be set by set_fixmap():

*/

vaddr = __fix_to_virt(__end_of_fixed_addresses - 1) & PMD_MASK;

fixrange_init(vaddr, 0, pgd_base);

在内存的最高端(4GB - 128MB)，有些虚地址直接用在内核资源的某些部分中，这些地址的映射定义在/include/asm/fixmap.h中，枚举类型__end_of_fixed_addresses用作索引，宏__fix_to_virt()返回给定索引的虚地址。函数fixrange_init()为这些虚地址创建合适的页表项。注意，这里仅仅创建了页表项，而没有进行映射。这些地址的映射是由set_fixmap()函数完成的。

#if CONFIG_HIGHMEM

/*

* Permanent kmaps:

*/

vaddr = PKMAP_BASE;

fixrange_init(vaddr, vaddr + PAGE_SIZE*LAST_PKMAP, pgd_base);

pgd = swapper_pg_dir + __pgd_offset(vaddr);

pmd = pmd_offset(pgd, vaddr);

pte = pte_offset(pmd, vaddr);

pkmap_page_table = pte;

#endif

如果使用了CONFIG_HIGHMEM选项，我们就可以访问896MB以上的物理内存，这些内存的地址被暂时映射到为此目的而保留的虚地址上。PKMAP_BASE 的值为0xFE000000（即4064MB），LAST_PKMAP 的值为 1024。因此，从4064MB开始，由fixrange_init()在页表中创建的表项能覆盖4MB的空间。接下来，把覆盖4MB内存的页表项赋给pkmap_page_table。

#if CONFIG_X86_PAE

/*

* Add low memory identity-mappings - SMP needs it when

* starting up on an AP from real-mode. In the non-PAE

* case we already have these mappings through head.S.

* All user-space mappings are explicitly cleared after

* SMP startup.

*/

pgd_base[0] = pgd_base[USER_PTRS_PER_PGD];

#endif