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Linux中paging_init页表初始化函数的实现

news 2025/10/15 11:14:54

进行页表初始化`paging_init`

void __init paging_init(void)
{
#ifdef CONFIG_X86_PAEset_nx();if (nx_enabled)printk("NX (Execute Disable) protection: active\n");
#endifpagetable_init();load_cr3(swapper_pg_dir);#ifdef CONFIG_X86_PAE/** We will bail out later - printk doesn't 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();kmap_init();zone_sizes_init();
}

1. 代码详细解析

1.1. PAE和NX功能初始化

#ifdef CONFIG_X86_PAEset_nx();if (nx_enabled)printk("NX (Execute Disable) protection: active\n");
#endif

CONFIG_X86_PAE：内核配置选项，启用物理地址扩展
只有在启用PAE时才执行这段代码

set_nx();

检测和启用NX功能
检查CPU是否支持NX（No Execute）特性
设置全局变量 nx_enabled

if (nx_enabled)printk("NX (Execute Disable) protection: active\n");

如果NX功能可用，打印激活信息
提供启动时的调试信息

1.2. 页表初始化

        pagetable_init();

这是页表初始化的核心函数，主要完成：

// pagetable_init() 内部大致流程：
1. 初始化内核页表（swapper_pg_dir）
2. 建立内核空间的内存映射
3. 设置固定映射区域
4. 准备早期内存分配所需的页表结构

1.3. 加载页表基址

        load_cr3(swapper_pg_dir);

CR3寄存器：

x86架构的页表基址寄存器
包含当前活动页表的物理地址

效果：激活新初始化的内核页表，CPU开始使用新的地址转换规则。

1.4. 启用PAE模式

#ifdef CONFIG_X86_PAE/** We will bail out later - printk doesn't work right now so* the user would just see a hanging kernel.*/if (cpu_has_pae)set_in_cr4(X86_CR4_PAE);
#endif

条件检查：

if (cpu_has_pae)

检查CPU是否硬件支持PAE
cpu_has_pae 在启动早期通过CPUID检测设置

设置CR4寄存器：

set_in_cr4(X86_CR4_PAE);

X86_CR4_PAE：CR4寄存器的第5位（PAE启用位）
启用物理地址扩展，允许访问超过4GB的物理内存

1.5. 刷新TLB

        __flush_tlb_all();

TLB刷新必要性：

修改页表或CR3后必须刷新TLB
否则CPU可能使用缓存的旧地址转换

1.6. 高端内存映射初始化

        kmap_init();

初始化高端内存的临时映射机制
建立kmap_atomic等函数所需的页表结构
允许内核临时映射高端内存页面进行访问

1.7. 内存区域大小初始化

        zone_sizes_init();

初始化内存管理区的页面计数
设置ZONE_DMA、ZONE_NORMAL、ZONE_HIGHMEM的大小
为后续的伙伴系统分配器做准备

检测和启用CPU的NX功能`set_nx`

static void __init set_nx(void)
{unsigned int v[4], l, h;if (cpu_has_pae && (cpuid_eax(0x80000000) > 0x80000001)) {cpuid(0x80000001, &v[0], &v[1], &v[2], &v[3]);if ((v[3] & (1 << 20)) && !disable_nx) {rdmsr(MSR_EFER, l, h);l |= EFER_NX;wrmsr(MSR_EFER, l, h);nx_enabled = 1;__supported_pte_mask |= _PAGE_NX;}}
}

1.代码详细解析

1.1. 变量声明

unsigned int v[4], l, h;

v[4]：存储CPUID返回值的数组
- v[0] = EAX, v[1] = EBX, v[2] = ECX, v[3] = EDX
l, h：MSR（模型特定寄存器）的低32位和高32位

1.2. 前置条件检查

if (cpu_has_pae && (cpuid_eax(0x80000000) > 0x80000001)) {

第一个条件：cpu_has_pae

检查CPU是否支持物理地址扩展
NX功能需要PAE模式，因为只有在64位页表项中才有NX位

第二个条件：cpuid_eax(0x80000000) > 0x80000001

cpuid_eax(0x80000000)  // 获取最大扩展CPUID功能号

CPUID 0x80000000：查询CPU支持的扩展功能范围
如果返回值 > 0x80000001，表示支持 0x80000001 功能
CPUID 0x80000001：包含AMD特性位，包括NX支持信息

1.3. 查询CPU特性

cpuid(0x80000001, &v[0], &v[1], &v[2], &v[3]);

CPUID 0x80000001 功能：

这个CPUID调用返回扩展特性位：

寄存器       内容
EDX (v[3])  扩展特性标志位位20: NX/XD (Execute Disable) 支持

1.4. NX特性位检查

if ((v[3] & (1 << 20)) && !disable_nx) {

第一个条件：v[3] & (1 << 20)

检查EDX寄存器的第20位
如果该位为1，表示CPU硬件支持NX功能

第二个条件：!disable_nx

disable_nx 是全局变量，通过内核参数设置

1.5. 启用NX功能

rdmsr(MSR_EFER, l, h);
l |= EFER_NX;
wrmsr(MSR_EFER, l, h);

MSR_EFER：模型特定寄存器
控制CPU的扩展功能

操作步骤：

读取当前值：rdmsr(MSR_EFER, l, h)
设置NX位：l |= EFER_NX
写回寄存器：wrmsr(MSR_EFER, l, h)

1.6. 设置内核状态

nx_enabled = 1;
__supported_pte_mask |= _PAGE_NX;

设置全局变量，表示NX功能已启用
其他代码可以通过检查这个变量来知道NX是否可用

页表项掩码更新：

__supported_pte_mask：定义内核支持的页表项位掩码
_PAGE_NX：NX位在页表项中的位置

页表初始化的核心函数`pagetable_init`

static void __init pagetable_init (void)
{unsigned long vaddr;pgd_t *pgd_base = swapper_pg_dir;#ifdef CONFIG_X86_PAEint i;/* Init entries of the first-level page table to the zero page */for (i = 0; i < PTRS_PER_PGD; i++)set_pgd(pgd_base + i, __pgd(__pa(empty_zero_page) | _PAGE_PRESENT));
#endif/* Enable PSE if available */if (cpu_has_pse) {set_in_cr4(X86_CR4_PSE);}/* Enable PGE if available */if (cpu_has_pge) {set_in_cr4(X86_CR4_PGE);__PAGE_KERNEL |= _PAGE_GLOBAL;__PAGE_KERNEL_EXEC |= _PAGE_GLOBAL;}kernel_physical_mapping_init(pgd_base);remap_numa_kva();/** 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;page_table_range_init(vaddr, 0, pgd_base);permanent_kmaps_init(pgd_base);#ifdef 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
}

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明和初始化

unsigned long vaddr;
pgd_t *pgd_base = swapper_pg_dir;#ifdef CONFIG_X86_PAEint i;

vaddr：虚拟地址变量，用于后续计算
pgd_base：指向swapper_pg_dir，这是内核的主页全局目录
swapper_pg_dir：内核初始页表的根目录

1.2. PAE模式下的PGD初始化

#ifdef CONFIG_X86_PAE/* Init entries of the first-level page table to the zero page */for (i = 0; i < PTRS_PER_PGD; i++)set_pgd(pgd_base + i, __pgd(__pa(empty_zero_page) | _PAGE_PRESENT));
#endif

将PGD所有条目初始化为指向零页面

PTRS_PER_PGD：PGD中的条目数量（PAE模式下通常是4个）
empty_zero_page：全零的物理页面，用于处理缺页
__pa(empty_zero_page)：获取零页面的物理地址
_PAGE_PRESENT：设置页面存在位
将所有未使用的PGD条目指向安全的零页面
如果访问未映射的地址，会访问零页面而不是随机内存
零页面全为0，读取返回0，写入触发页错误

1.3. 启用PSE（Page Size Extension）

        /* Enable PSE if available */if (cpu_has_pse) {set_in_cr4(X86_CR4_PSE);}

PSE功能：

允许使用4MB大页面（而不仅仅是4KB）
减少TLB缺失，提高性能
通过设置CR4寄存器的PSE位启用

1.4. 启用PGE（Page Global Enable）

        /* Enable PGE if available */if (cpu_has_pge) {set_in_cr4(X86_CR4_PGE);__PAGE_KERNEL |= _PAGE_GLOBAL;__PAGE_KERNEL_EXEC |= _PAGE_GLOBAL;}

PGE功能：

全局页面：在任务切换时不被TLB刷新
提高内核代码的性能（内核代码在所有进程间共享）
更新内核页面的标志位，包含_PAGE_GLOBAL

1.5. 内核物理映射初始化

        kernel_physical_mapping_init(pgd_base);

核心功能：建立内核直接映射

将物理内存直接映射到内核虚拟地址空间

1.6. NUMA内存重映射

        remap_numa_kva();

NUMA支持：

非统一内存访问：多处理器系统中内存访问时间不一致
为NUMA系统重新映射内核虚拟地址空间
优化内存访问性能

1.7. 固定映射区域初始化

        /** 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;page_table_range_init(vaddr, 0, pgd_base);

固定映射：

特殊用途：为需要固定虚拟地址的设备保留
计算范围：__fix_to_virt(__end_of_fixed_addresses - 1) 获取最后一个固定映射地址
初始化页表：page_table_range_init 为固定映射区域创建页表结构

1.8. 永久内核映射初始化

        permanent_kmaps_init(pgd_base);

永久内核映射：

为kmap()函数建立永久内核映射区域
允许内核临时映射高端内存页面

1.9. PAE模式下的低内存恒等映射

#ifdef 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

恒等映射的重要性：

1. BSP启动 → 建立完整页表（包括内核直接映射）
2. 设置临时恒等映射 → pgd_base[0] = pgd_base[768]
3. 唤醒APs → APs通过恒等映射执行启动代码
4. APs切换到保护模式 → 使用正常的内核页表
5. 清除恒等映射 → 恢复用户空间隔离
6. SMP系统就绪 → 所有处理器正常运行

建立内核直接内存映射`kernel_physical_mapping_init`

static void __init kernel_physical_mapping_init(pgd_t *pgd_base)
{unsigned long pfn;pgd_t *pgd;pmd_t *pmd;pte_t *pte;int pgd_idx, pmd_idx, pte_ofs;pgd_idx = pgd_index(PAGE_OFFSET);pgd = pgd_base + pgd_idx;pfn = 0;for (; pgd_idx < PTRS_PER_PGD; pgd++, pgd_idx++) {pmd = one_md_table_init(pgd);if (pfn >= max_low_pfn)continue;for (pmd_idx = 0; pmd_idx < PTRS_PER_PMD && pfn < max_low_pfn; pmd++, pmd_idx++) {unsigned int address = pfn * PAGE_SIZE + PAGE_OFFSET;/* Map with big pages if possible, otherwise create normal page tables. */if (cpu_has_pse) {unsigned int address2 = (pfn + PTRS_PER_PTE - 1) * PAGE_SIZE + PAGE_OFFSET + PAGE_SIZE-1;if (is_kernel_text(address) || is_kernel_text(address2))set_pmd(pmd, pfn_pmd(pfn, PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC));elseset_pmd(pmd, pfn_pmd(pfn, PAGE_KERNEL_LARGE));pfn += PTRS_PER_PTE;} else {pte = one_page_table_init(pmd);for (pte_ofs = 0; pte_ofs < PTRS_PER_PTE && pfn < max_low_pfn; pte++, pfn++, pte_ofs++) {if (is_kernel_text(address))set_pte(pte, pfn_pte(pfn, PAGE_KERNEL_EXEC));elseset_pte(pte, pfn_pte(pfn, PAGE_KERNEL));}}}}
}

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明和初始化

        unsigned long pfn;pgd_t *pgd;pmd_t *pmd;pte_t *pte;int pgd_idx, pmd_idx, pte_ofs;pgd_idx = pgd_index(PAGE_OFFSET);pgd = pgd_base + pgd_idx;pfn = 0;

变量说明：

pfn：物理页框号，从0开始
pgd, pmd, pte：各级页表指针
pgd_idx, pmd_idx, pte_ofs：各级页表的索引
pgd_index(PAGE_OFFSET)：计算内核空间起始地址在PGD中的索引

1.2. 外层循环：遍历PGD

        for (; pgd_idx < PTRS_PER_PGD; pgd++, pgd_idx++) {pmd = one_md_table_init(pgd);if (pfn >= max_low_pfn)continue;

PGD循环：

从pgd_idx 到 PTRS_PER_PGD-1
覆盖整个内核虚拟地址空间

PMD表初始化：

pmd = one_md_table_init(pgd);

为当前PGD条目分配和初始化PMD表
返回指向PMD表的指针

提前终止检查：

if (pfn >= max_low_pfn)continue;

如果所有物理内存都已映射，跳过剩余的PMD处理。

1.3. 内层循环：遍历PMD

                for (pmd_idx = 0; pmd_idx < PTRS_PER_PMD && pfn < max_low_pfn; pmd++, pmd_idx++) {unsigned int address = pfn * PAGE_SIZE + PAGE_OFFSET;

PMD循环：

遍历PMD中的所有条目
继续直到处理完所有物理内存或PMD结束

地址计算：

address = pfn * PAGE_SIZE + PAGE_OFFSET;

计算当前物理页面对应的内核虚拟地址。

1.4. 大页映射处理（PSE支持）

                        /* Map with big pages if possible, otherwise create normal page tables. */if (cpu_has_pse) {unsigned int address2 = (pfn + PTRS_PER_PTE - 1) * PAGE_SIZE + PAGE_OFFSET + PAGE_SIZE-1;if (is_kernel_text(address) || is_kernel_text(address2))set_pmd(pmd, pfn_pmd(pfn, PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC));elseset_pmd(pmd, pfn_pmd(pfn, PAGE_KERNEL_LARGE));pfn += PTRS_PER_PTE;}

大页优势：

普通页：4KB，需要512个PTE条目映射2MB
大页：2MB，一个PMD条目直接映射2MB

地址范围检查：

address2 = (pfn + PTRS_PER_PTE - 1) * PAGE_SIZE + PAGE_OFFSET + PAGE_SIZE-1;

计算2MB大页的结束地址，用于检查是否包含内核代码。

内核代码特殊处理：

if (is_kernel_text(address) || is_kernel_text(address2))

如果大页包含内核代码区域，需要设置可执行权限

大页设置：

set_pmd(pmd, pfn_pmd(pfn, PAGE_KERNEL_LARGE_EXEC));  // 可执行大页
set_pmd(pmd, pfn_pmd(pfn, PAGE_KERNEL_LARGE));       // 普通大页
pfn += PTRS_PER_PTE;  // 跳过512个页面（2MB）

1.5. 普通页映射处理（无PSE支持）

                        } else {pte = one_page_table_init(pmd);for (pte_ofs = 0; pte_ofs < PTRS_PER_PTE && pfn < max_low_pfn; pte++, pfn++, pte_ofs++) {if (is_kernel_text(address))set_pte(pte, pfn_pte(pfn, PAGE_KERNEL_EXEC));elseset_pte(pte, pfn_pte(pfn, PAGE_KERNEL));}}

PTE表初始化：

pte = one_page_table_init(pmd);

为当前PMD条目分配和初始化PTE表

PTE级别循环：

for (pte_ofs = 0; pte_ofs < PTRS_PER_PTE && pfn < max_low_pfn; pte++, pfn++, pte_ofs++)

遍历PTE表中的所有条目（通常512个），为每个物理页面创建映射

内核代码检测：

if (is_kernel_text(address))set_pte(pte, pfn_pte(pfn, PAGE_KERNEL_EXEC));  // 可执行页面
elseset_pte(pte, pfn_pte(pfn, PAGE_KERNEL));       // 普通页面

在NUMA系统中重新映射内核虚拟地址空间`remap_numa_kva`

void __init remap_numa_kva(void)
{void *vaddr;unsigned long pfn;int node;for (node = 1; node < numnodes; ++node) {for (pfn=0; pfn < node_remap_size[node]; pfn += PTRS_PER_PTE) {vaddr = node_remap_start_vaddr[node]+(pfn<<PAGE_SHIFT);set_pmd_pfn((ulong) vaddr,node_remap_start_pfn[node] + pfn,PAGE_KERNEL_LARGE);}}
}

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明

        void *vaddr;unsigned long pfn;int node;

变量说明：

vaddr：虚拟地址指针，用于计算映射的目标地址
pfn：页框号（Page Frame Number），用于遍历物理页面
node：NUMA节点编号，用于遍历所有节点

1.2. 外层循环：遍历NUMA节点

        for (node = 1; node < numnodes; ++node) {

循环参数：

node = 1：从节点1开始（节点0通常是启动节点，已经映射好了）
node < numnodes：遍历到最后一个节点
numnodes：系统中NUMA节点的总数

NUMA系统：

多处理器架构：将系统划分为多个节点
非统一访问：本地内存访问快，远程内存访问慢

1.3. 内层循环：遍历节点中的页面

                for (pfn=0; pfn < node_remap_size[node]; pfn += PTRS_PER_PTE) {

循环参数：

pfn=0：从节点的第一个页面开始
pfn < node_remap_size[node]：遍历节点中需要重映射的所有页面
pfn += PTRS_PER_PTE：每次增加512个页面

1.4. 计算虚拟地址

                        vaddr = node_remap_start_vaddr[node]+(pfn<<PAGE_SHIFT);

地址计算：

node_remap_start_vaddr[node]  // 节点重映射的起始虚拟地址
pfn << PAGE_SHIFT             // 页框号转换为字节偏移（×4096）

1.5. 设置大页映射

                        set_pmd_pfn((ulong) vaddr,node_remap_start_pfn[node] + pfn,PAGE_KERNEL_LARGE);

函数参数：

set_pmd_pfn(虚拟地址, 物理页框号, 页面标志)

映射效果：

虚拟地址 vaddr → 物理地址 (node_remap_start_pfn[node]) + (pfn × 4096)
使用2MB大页映射

1.6. 为什么需要重映射？

问题：

内核默认使用统一的虚拟地址空间
但物理内存分布在不同的NUMA节点上
远程内存访问速度较慢

解决方案：

为每个NUMA节点创建优化的虚拟地址映射
使得CPU可以高效访问本地内存
减少远程内存访问的开销

2. 关键数据结构

NUMA重映射信息：

// 节点重映射起始虚拟地址
node_remap_start_vaddr[node]// 节点重映射起始物理页框号  
node_remap_start_pfn[node]// 节点需要重映射的页面数量
node_remap_size[node]

这些数据的来源：

在系统启动时通过setup_memory函数检测
由架构特定的NUMA初始化代码计算

为指定的虚拟地址范围初始化页表结构`page_table_range_init`

static void __init page_table_range_init (unsigned long start, unsigned long end, pgd_t *pgd_base)
{pgd_t *pgd;pmd_t *pmd;int pgd_idx, pmd_idx;unsigned long vaddr;vaddr = start;pgd_idx = pgd_index(vaddr);pmd_idx = pmd_index(vaddr);pgd = pgd_base + pgd_idx;for ( ; (pgd_idx < PTRS_PER_PGD) && (vaddr != end); pgd++, pgd_idx++) {if (pgd_none(*pgd))one_md_table_init(pgd);pmd = pmd_offset(pgd, vaddr);for (; (pmd_idx < PTRS_PER_PMD) && (vaddr != end); pmd++, pmd_idx++) {if (pmd_none(*pmd))one_page_table_init(pmd);vaddr += PMD_SIZE;}pmd_idx = 0;}
}

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明和初始化

        pgd_t *pgd;pmd_t *pmd;int pgd_idx, pmd_idx;unsigned long vaddr;vaddr = start;pgd_idx = pgd_index(vaddr);pmd_idx = pmd_index(vaddr);pgd = pgd_base + pgd_idx;

pgd_t *pgd：当前PGD条目指针
pmd_t *pmd：当前PMD条目指针
pgd_idx, pmd_idx：当前在PGD和PMD中的索引
vaddr：当前处理的虚拟地址

初始化计算：

vaddr = start;                            // 从起始地址开始
pgd_idx = pgd_index(vaddr);               // 计算起始地址的PGD索引
pmd_idx = pmd_index(vaddr);               // 计算起始地址的PMD索引
pgd = pgd_base + pgd_idx;                 // 获取起始PGD指针

1.2. 外层循环：遍历PGD

        for ( ; (pgd_idx < PTRS_PER_PGD) && (vaddr != end); pgd++, pgd_idx++) {

循环条件：

pgd_idx < PTRS_PER_PGD：确保不超出PGD表范围
vaddr != end：确保没有处理完整个地址范围
pgd++, pgd_idx++：移动到下一个PGD条目

1.3. PGD级别初始化

                if (pgd_none(*pgd))one_md_table_init(pgd);

惰性初始化：

检查PGD条目是否为空（未初始化）
如果为空，调用one_md_table_init分配和初始化PMD表
如果已初始化，直接使用现有的PMD表

1.4. 获取PMD指针

                pmd = pmd_offset(pgd, vaddr);

计算当前虚拟地址对应的PMD条目指针。

1.5. 内层循环：遍历PMD

                for (; (pmd_idx < PTRS_PER_PMD) && (vaddr != end); pmd++, pmd_idx++) {

pmd_idx < PTRS_PER_PMD：不超出PMD表范围（通常512个条目）
vaddr != end：没有处理完地址范围
pmd++, pmd_idx++：移动到下一个PMD条目

1.6. PMD级别初始化

                        if (pmd_none(*pmd))one_page_table_init(pmd);

PTE表分配：

检查PMD条目是否为空
如果为空，调用one_page_table_init分配和初始化PTE表
如果已初始化，跳过PTE表分配

1.7. 地址递增和循环控制

                        vaddr += PMD_SIZE;}pmd_idx = 0;}

地址递增：

vaddr += PMD_SIZE;  // 通常2MB，移动到下一个PMD管理的区域

PMD索引重置：

pmd_idx = 0;  // 当切换到下一个PGD时，PMD索引从0开始

初始化永久内核映射`permanent_kmaps_init`

void __init permanent_kmaps_init(pgd_t *pgd_base)
{pgd_t *pgd;pmd_t *pmd;pte_t *pte;unsigned long vaddr;vaddr = PKMAP_BASE;page_table_range_init(vaddr, vaddr + PAGE_SIZE*LAST_PKMAP, pgd_base);pgd = swapper_pg_dir + pgd_index(vaddr);pmd = pmd_offset(pgd, vaddr);pte = pte_offset_kernel(pmd, vaddr);pkmap_page_table = pte;
}

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明

        pgd_t *pgd;pmd_t *pmd;pte_t *pte;unsigned long vaddr;

变量说明：

pgd_t *pgd：页全局目录指针
pmd_t *pmd：页中间目录指针
pte_t *pte：页表条目指针
unsigned long vaddr：虚拟地址变量

1.2. 设置永久内核映射基地址

        vaddr = PKMAP_BASE;

PKMAP_BASE 定义：

永久内核映射区域的起始虚拟地址

#define PKMAP_BASE (0xff800000UL)

1.3. 初始化页表范围

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

参数分解：

vaddr：起始地址 = PKMAP_BASE
vaddr + PAGE_SIZE*LAST_PKMAP：结束地址
pgd_base：页表根目录

计算映射范围：

PAGE_SIZE * LAST_PKMAP  // 永久映射区域的总大小

1.4. 获取PGD指针

        pgd = swapper_pg_dir + pgd_index(vaddr);

1.5. 获取PMD指针

        pmd = pmd_offset(pgd, vaddr);

通过PGD条目找到对应的PMD表指针

1.6. 获取PTE指针

        pte = pte_offset_kernel(pmd, vaddr);

关键操作：

pte_offset_kernel(pmd, vaddr)  // 计算PKMAP_BASE对应的PTE条目

返回的PTE：

指向永久内核映射区域第一个页面的页表条目

1.7. 保存PTE表指针

        pkmap_page_table = pte;

这个指针是永久内核映射机制的核心入口点，后续的kmap函数依赖它

1.8. 为什么需要永久内核映射？

32位系统的限制：

虚拟地址空间只有4GB
内核直接映射通常只有896MB
物理内存可能超过4GB（使用PAE）
需要机制来访问高端内存

PKMAP工作机制：

永久内核映射使用固定的虚拟地址区域
通过页表动态映射不同的物理页面
类似"窗口"，通过这个窗口访问高端内存

初始化PMD页表`one_md_table_init`

static pmd_t * __init one_md_table_init(pgd_t *pgd)
{pmd_t *pmd_table;#ifdef CONFIG_X86_PAEpmd_table = (pmd_t *) alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);set_pgd(pgd, __pgd(__pa(pmd_table) | _PAGE_PRESENT));if (pmd_table != pmd_offset(pgd, 0))BUG();
#elsepmd_table = pmd_offset(pgd, 0);
#endifreturn pmd_table;
}

1. 代码详细解析

1.1. 函数声明和变量

static pmd_t * __init one_md_table_init(pgd_t *pgd)
{pmd_t *pmd_table;

参数和变量：

pgd_t *pgd：输入的PGD条目指针
pmd_t *pmd_table：返回的PMD表指针
__init：表示这是初始化函数，完成后内存会被释放

1.2. PAE模式下的PMD表初始化

#ifdef CONFIG_X86_PAEpmd_table = (pmd_t *) alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);

内存分配：

alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE)

在低端内存中分配一个页面（4KB）
用于存储PMD表
返回虚拟地址，转换为pmd_t *类型

为什么需要分配？

在PAE模式下：

页表项是64位的（8字节）
每个PMD表需要4KB空间存储512个条目
需要动态分配内存

1.3. 设置PGD条目

        set_pgd(pgd, __pgd(__pa(pmd_table) | _PAGE_PRESENT));

操作分解：

__pa(pmd_table)                    // PMD表的物理地址
__pa(pmd_table) | _PAGE_PRESENT    // 组合物理地址和存在位
__pgd(...)                         // 创建PGD条目值
set_pgd(pgd, ...)                  // 设置PGD条目

设置后的PGD条目：

PGD条目指向: PMD表的物理地址 | PRESENT位

1.4. 一致性验证

        if (pmd_table != pmd_offset(pgd, 0))BUG();

验证逻辑：

pmd_offset(pgd, 0)  // 根据PGD计算PMD表应该的位置

检查实际分配的PMD表位置与通过PGD计算的位置是否一致
如果不一致，触发内核BUG（严重错误）

1.5. 非PAE模式下的PMD处理

#elsepmd_table = pmd_offset(pgd, 0);
#endifreturn pmd_table;
}

非PAE模式：

pmd_table = pmd_offset(pgd, 0);

在非PAE模式下，PMD表是预分配的
直接通过pmd_offset计算PMD表位置
不需要动态分配内存

初始化PTE页表`one_page_table_init`

static pte_t * __init one_page_table_init(pmd_t *pmd)
{if (pmd_none(*pmd)) {pte_t *page_table = (pte_t *) alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);set_pmd(pmd, __pmd(__pa(page_table) | _PAGE_TABLE));if (page_table != pte_offset_kernel(pmd, 0))BUG();return page_table;}return pte_offset_kernel(pmd, 0);
}

1. 代码详细解析

1.1. 函数声明

static pte_t * __init one_page_table_init(pmd_t *pmd)
{

参数和返回值：

pmd_t *pmd：输入的PMD条目指针
返回值：pte_t * - PTE表的指针
__init：初始化函数，完成后内存会被释放

1.2. PMD空值检查

        if (pmd_none(*pmd)) {

避免重复初始化：如果PMD已指向有效的PTE表，直接返回
惰性初始化：只在需要时分配PTE表，节省内存

1.3. PTE表内存分配

                pte_t *page_table = (pte_t *) alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);

内存分配：

alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE)

在低端内存中分配一个页面（4KB）
用于存储PTE表（页表条目数组）
返回虚拟地址，转换为pte_t *类型

1.4. 设置PMD条目

                set_pmd(pmd, __pmd(__pa(page_table) | _PAGE_TABLE));

操作分解：

__pa(page_table)                    // PTE表的物理地址
__pa(page_table) | _PAGE_TABLE      // 组合物理地址和页表标志
__pmd(...)                          // 创建PMD条目值
set_pmd(pmd, ...)                   // 设置PMD条目

_PAGE_TABLE标志：

// 包含多个页表相关标志位，如：
_PAGE_PRESENT   // 页面存在
_PAGE_RW        // 可读写  
_PAGE_USER      // 用户可访问
_PAGE_ACCESSED  // 已访问

设置后的PMD条目：

PMD条目指向: PTE表的物理地址 | 页表标志位

1.5. 一致性验证

                if (page_table != pte_offset_kernel(pmd, 0))BUG();

验证逻辑：

pte_offset_kernel(pmd, 0)  // 通过PMD计算PTE表应该的位置

检查实际分配的PTE表位置与通过PMD计算的位置是否一致
如果不一致，触发内核BUG

1.6. 返回PTE表指针

                return page_table;}

返回新分配的PTE表指针，供调用者继续初始化具体的页表条目。

1.7. 已初始化情况的处理

        return pte_offset_kernel(pmd, 0);
}

如果PMD已初始化：

pte_offset_kernel(pmd, 0)

直接通过PMD条目计算PTE表的虚拟地址
返回现有的PTE表指针

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进行页表初始化paging_init

1. 代码详细解析

1.1. PAE和NX功能初始化

1.2. 页表初始化

1.3. 加载页表基址

1.4. 启用PAE模式

1.5. 刷新TLB

1.6. 高端内存映射初始化

1.7. 内存区域大小初始化

检测和启用CPU的NX功能set_nx

1.代码详细解析

1.1. 变量声明

1.2. 前置条件检查

1.3. 查询CPU特性

CPUID 0x80000001 功能：

1.4. NX特性位检查

1.5. 启用NX功能

1.6. 设置内核状态

页表初始化的核心函数pagetable_init

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明和初始化

1.2. PAE模式下的PGD初始化

1.3. 启用PSE（Page Size Extension）

1.4. 启用PGE（Page Global Enable）

1.5. 内核物理映射初始化

1.6. NUMA内存重映射

1.7. 固定映射区域初始化

1.8. 永久内核映射初始化

1.9. PAE模式下的低内存恒等映射

建立内核直接内存映射kernel_physical_mapping_init

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明和初始化

1.2. 外层循环：遍历PGD

1.3. 内层循环：遍历PMD

1.4. 大页映射处理（PSE支持）

1.5. 普通页映射处理（无PSE支持）

在NUMA系统中重新映射内核虚拟地址空间remap_numa_kva

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明

1.2. 外层循环：遍历NUMA节点

1.3. 内层循环：遍历节点中的页面

1.4. 计算虚拟地址

1.5. 设置大页映射

1.6. 为什么需要重映射？

2. 关键数据结构

为指定的虚拟地址范围初始化页表结构page_table_range_init

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明和初始化

1.2. 外层循环：遍历PGD

1.3. PGD级别初始化

1.4. 获取PMD指针

1.5. 内层循环：遍历PMD

1.6. PMD级别初始化

1.7. 地址递增和循环控制

初始化永久内核映射permanent_kmaps_init

1. 代码详细解析

1.1. 变量声明

1.2. 设置永久内核映射基地址

1.3. 初始化页表范围

1.4. 获取PGD指针

1.5. 获取PMD指针

1.6. 获取PTE指针

1.7. 保存PTE表指针

1.8. 为什么需要永久内核映射？

初始化PMD页表one_md_table_init

1. 代码详细解析

1.1. 函数声明和变量

1.2. PAE模式下的PMD表初始化

1.3. 设置PGD条目

1.4. 一致性验证

验证逻辑：

1.5. 非PAE模式下的PMD处理

初始化PTE页表one_page_table_init

1. 代码详细解析

1.1. 函数声明

1.2. PMD空值检查

1.3. PTE表内存分配

1.4. 设置PMD条目

1.5. 一致性验证

1.6. 返回PTE表指针

进行页表初始化`paging_init`

检测和启用CPU的NX功能`set_nx`

页表初始化的核心函数`pagetable_init`

建立内核直接内存映射`kernel_physical_mapping_init`

在NUMA系统中重新映射内核虚拟地址空间`remap_numa_kva`

为指定的虚拟地址范围初始化页表结构`page_table_range_init`

初始化永久内核映射`permanent_kmaps_init`

初始化PMD页表`one_md_table_init`

初始化PTE页表`one_page_table_init`