Linux的内存初始化
这篇文章我们先来看下linux在启动过程中的初始化。
创建启动页表：
在汇编代码阶段的head.S文件中，负责创建映射关系的函数是 create_page_tables 。 create_page_tables函数负责identity mapping和kernel image mapping。
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identity map：是指把idmap_text区域的物理地址映射到相等的虚拟地址上，这种映射完成后，其虚拟地址等于物理地址。idmap_text区域都是一些打开MMU相关的代码。
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kernel image map： 将kernel运行需要的地址（kernel txt、rodata、data、bss等等）进行映射。
arch/arm64/kernel/head.S:
ENTRY(stext)
bl preserve_boot_args
bl el2_setup // Drop to EL1, w0=cpu_boot_mode
adrp x23, __PHYS_OFFSET
and x23, x23, MIN_KIMG_ALIGN – 1 // KASLR offset, defaults to 0
bl set_cpu_boot_mode_flag
bl __create_page_tables
/*
* The following calls CPU setup code, see arch/arm64/mm/proc.S for
* details.
* On return, the CPU will be ready for the MMU to be turned on and
* the TCR will have been set.
*/
bl __cpu_setup // initialise processor
b __primary_switch
ENDPROC(stext)
__create_page_tables主要执行的就是identity map和kernel image map：
__create_page_tables:
……
create_pgd_entry x0, x3, x5, x6
mov x5, x3 // __pa(__idmap_text_start)
adr_l x6, __idmap_text_end // __pa(__idmap_text_end)
create_block_map x0, x7, x3, x5, x6
/*
* Map the kernel image (starting with PHYS_OFFSET).
*/
adrp x0, swapper_pg_dir
mov_q x5, KIMAGE_VADDR + TEXT_OFFSET // compile time __va(_text)
add x5, x5, x23 // add KASLR displacement
create_pgd_entry x0, x5, x3, x6
adrp x6, _end // runtime __pa(_end)
adrp x3, _text // runtime __pa(_text)
sub x6, x6, x3 // _end – _text
add x6, x6, x5 // runtime __va(_end)
create_block_map x0, x7, x3, x5, x6
……
其中调用 create_pgd_entry 进行 PGD及所有中间level(PUD, PMD) 页表的创建，调用 create_block_map 进行 PTE页表 的映射。关于四级页表的关系如下图所示，这里就不进一步解释了。
汇编结束后的内存映射关系如下图所示：
当执行完上面的map之后，MMU就已经打开了并且开始进入C代码运行阶段，那么下一步就要对dtb进行映射了。
fixmap区之dtb map：
在执行setup_arch中，会最先进行early_fixmap_init()，这个函数就是用来map dtb的，但是它只会建立dtb对应的这段物理地址中间level的页表entry，而最后一个level的页表映射则通过setup_machine_fdt函数里的 fixmap_remap_fdt 来创建。
void *__init fixmap_remap_fdt(phys_addr_t dt_phys)
{
void *dt_virt;
int size;
dt_virt = __fixmap_remap_fdt(dt_phys, &size, PAGE_KERNEL_RO);
if (!dt_virt)
return NULL;
memblock_reserve(dt_phys, size);
return dt_virt;
}
fixmap_remap_fdt主要是为fdt建立地址映射，在该函数的最后，顺便就调用 memblock_reserve 保留了该段内存。
可以看出dtb的映射采用的是fixmap，所谓fixmap就是固定映射，它需要我们明确的知道想要映射的物理地址，并把这段地址映射到想要映射的虚拟地址上。当然这里固定映射还有些片面，因为在fixmap机制实现上，也有支持动态分配虚拟地址的功能，这个功能主要用于临时fixmap映射（ 这个临时映射就是用来执行early ioremap使用的。 ），而dtb的映射属于永久映射。
fixmap区之early ioremap:
对于一些硬件需要在内存管理系统起来之前就要工作的，我们就可以使用这种机制来映射内存给这些硬件driver使用。各个模块在使用完early ioremap的地址后，需要尽快把这段映射的虚拟地址释放掉，这样才能反复被其他模块继续申请使用。
early_ioremap_init会调用early_ioremap_setup：
可见它的实现是依赖fixmap的，所以它必须要在early_fixmap_init之后才能运行。
注意： 如果想要在伙伴系统初始化之前进行设备寄存器的访问，那么可以考虑early IO remap机制。
至此我们已经知道dtb和early ioremap都是在fixmap区的，如下图：
系统内存的布局：
完成dtb的map之后，内核可以访问这一段的内存了，通过解析dtb中的内容，内核可以勾勒出整个内存布局的情况，为后续内存管理初始化奠定基础。 这一步主要在setup_machine_fdt中完成。这里就不看代码了，其调用流程是：setup_machine_fdt->early_init_dt_scan->early_init_dt_scan_nodes
就像注释中所示内核根据dtb的不同node勾勒出 choosen node，root node，memory node相应内存区域。
除了这3个node，还有一个reserved-memory node，它是在上面讲到dtb map的时候 fixmap_remap_fdt函数做的。下面我们看下这4个node的具体实现。
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choosen node
该节点有一个bootargs属性，该属性定义了内核的启动参数，比如mem= xx，此外，还处理initrd相关的property，并保存在initrd_start和initrd_end这两个全局变量中。
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root node
与内存无关，暂时不详述，以后有机会讲到device tree系列再详述。
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memory node
通过 memblock_add 加入到memblock.memory对应的memblock_type链表中进行管理。
接下来到arm64_memblock_init函数：
void __init arm64_memblock_init(void)
{
……
memblock_reserve(__pa_symbol(_text), _end – _text); 1.kernel image保留区
#ifdef CONFIG_BLK_DEV_INITRD
if (initrd_start) {
memblock_reserve(initrd_start, initrd_end – initrd_start); 2.initrd保留区
/* the generic initrd code expects virtual addresses */
initrd_start = __phys_to_virt(initrd_start);
initrd_end = __phys_to_virt(initrd_end);
}
#endif
early_init_fdt_scan_reserved_mem(); 3.dts中配置为保留的区域
……
}
-
reserve内核代码、数据区等（_text到_end那一段，具体的内容可以参考内核链接脚本）
-
保留initital ramdisk image区域（从initrd_start到initrd_end区域）
-
reserved-memory node 如下所示：
完成：
通过上面的一系列操作，需要动态管理的内存已经被放到了memory type和reserved type这两个region中了，现在内存已经被memblock模块所管理了，这只是启动后的第一步，后续内存才会加入到伙伴系统去管理。
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