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這篇文章主要為大家展示了“ARM64內核中對52位虛擬地址支持的示例分析”，內容簡而易懂，條理清晰，希望能夠幫助大家解決疑惑，下面讓小編帶領大家一起研究并學習一下“ARM64內核中對52位虛擬地址支持的示例分析”這篇文章吧。
隨著 64 位硬件的引入，增加了處理更大地址空間的需求。
當 64 位硬件變得可用之后，處理更大地址空間（大于 232 字節）的需求變得顯而易見。現如今一些公司已經提供 64TiB 或更大內存的服務器，x86_64 架構和 arm64 架構現在允許尋址的地址空間大于 248 字節（可以使用默認的 48 位地址支持）。
x86_64 架構通過讓硬件和軟件啟用五級頁表以支持這些用例。它允許尋址的地址空間等于 257 字節（詳情見 x86：在 4.12 內核中啟用 5 級頁表）。它突破了過去虛擬地址空間 128PiB 和物理地址空間 4PiB 的上限。
arm64 架構通過引入兩個新的體系結構 —— ARMv8.2 LVA（更大的虛擬尋址） 和 ARMv8.2 LPA（更大的物理地址尋址） —— 拓展來實現相同的功能。這允許使用 4PiB 的虛擬地址空間和 4PiB 的物理地址空間（即分別為 252 位）。
隨著新的 arm64 CPU 中支持了 ARMv8.2 體系結構拓展，同時現在開源軟件也支持了這兩種新的硬件拓展。
從 Linux 5.4 內核開始， arm64 架構中的 52 位（大）虛擬地址（VA）和物理地址（PA）得到支持。盡管內核文檔描述了這些特性和新的內核運行時對舊的 CPU（硬件層面不支持 52 位虛擬地址拓展）和新的 CPU（硬件層面支持 52 位虛擬地址拓展）的影響，但對普通用戶而言，理解這些并且如何 “選擇使用” 52 位的地址空間可能會很復雜。
因此，我會在本文中介紹下面這些比較新的概念：
鴻蒙官方戰略合作共建——HarmonyOS技術社區
在增加了對這些功能的支持后，內核的內存布局如何“翻轉”到 Arm64 架構
對用戶態應用的影響，尤其是對提供調試支持的程序（例如：kexec-tools、 makedumpfile 和 crash-utility）
如何通過指定大于 48 位的 mmap 參數，使用戶態應用“選擇”從 52 位地址空間接受 VA？
ARMv8.2 架構提供兩種重要的拓展：大虛擬尋址（LVA）和大物理尋址（LPA）。
當使用 64 KB 轉換粒度時，ARMv8.2-LVA 為每個翻譯表基地址寄存器提供了一個更大的 52 位虛擬地址空間。
在 ARMv8.2-LVA 中允許：
當使用 64 KB 轉換粒度時，中間物理地址（IPA）和物理地址空間拓展為 52 位。
如果使用 64 KB 轉換粒度來實現對 52 位物理地址的支持，那么一級塊將會覆蓋 4TB 的地址空間。
需要注意的是這些特性僅在 AArch74 架構中支持。
目前下列的 Arm64 Cortex-A 處理器支持 ARMv8.2 拓展：
Cortex-A55
Cortex-A75
Cortex-A76
更多細節請參考 Armv8 架構參考手冊。
伴隨著 ARMv8.2 拓展增加了對 LVA 地址的支持（僅當以頁大小為 64 KB 運行時可用），在第一級轉換中，描述符的數量會增加。
用戶地址將 63-48 位位置為 0，然而內核地址將這些位設置為 1。TTBRx 的選擇由虛擬地址的 63 位決定。swapper_pg_dir 僅包含內核（全局）映射，然而 pgd 僅包含用戶（非全局）的映射。swapper_pg_dir 地址會寫入 TTBR1，且永遠不會寫入 TTBR0。
頁面大小為 64 KB 和三個級別的（具有 52 位硬件支持）的 AArch74 架構下 Linux 內存布局如下：
開始 結束 大小 用途 ----------------------------------------------------------------------- 0000000000000000 000fffffffffffff 4PB 用戶 fff0000000000000 fff7ffffffffffff 2PB 內核邏輯內存映射 fff8000000000000 fffd9fffffffffff 1440TB [間隙] fffda00000000000 ffff9fffffffffff 512TB Kasan 陰影區 ffffa00000000000 ffffa00007ffffff 128MB bpf jit 區域 ffffa00008000000 ffffa0000fffffff 128MB 模塊 ffffa00010000000 fffff81ffffeffff ~88TB vmalloc 區 fffff81fffff0000 fffffc1ffe58ffff ~3TB [保護區域] fffffc1ffe590000 fffffc1ffe9fffff 4544KB 固定映射 fffffc1ffea00000 fffffc1ffebfffff 2MB [保護區域] fffffc1ffec00000 fffffc1fffbfffff 16MB PCI I/O 空間 fffffc1fffc00000 fffffc1fffdfffff 2MB [保護區域] fffffc1fffe00000 ffffffffffdfffff 3968GB vmemmap ffffffffffe00000 ffffffffffffffff 2MB [保護區域]
4 KB 頁面的轉換查詢表如下：
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+ |63 56|55 48|47 40|39 32|31 24|23 16|15 8|7 0| +--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+ | | | | | | | | | | | v | | | | | [11:0] 頁內偏移量 | | | | +-> [20:12] L3 索引 | | | +-----------> [29:21] L2 索引 | | +---------------------> [38:30] L1 索引 | +-------------------------------> [47:39] L0 索引 +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1
64 KB 頁面的轉換查詢表如下：
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+ |63 56|55 48|47 40|39 32|31 24|23 16|15 8|7 0| +--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+ | | | | | | | | | v | | | | [15:0] 頁內偏移量 | | | +----------> [28:16] L3 索引 | | +--------------------------> [41:29] L2 索引 | +-------------------------------> [47:42] L1 索引 (48 位) | [51:42] L1 索引 (52 位) +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1
arm64 Multi-level Translation
因為支持 LVA 的較新的內核應該可以在舊的 CPU（硬件不支持 LVA 拓展）和新的 CPU（硬件支持 LVA 拓展）上都正常運行，因此采用的設計方法是使用單個二進制文件來支持 52 位（如果硬件不支持該特性，則必須在剛開始啟動時能回退到 48 位）。也就是說，為了滿足 52 位的虛擬地址以及固定大小的 PAGE_OFFSET，VMEMMAP 必須設置得足夠大。
這樣的設計方式要求內核為了新的虛擬地址空間而支持下面的變量：
VA_BITS 常量 *最大的* 虛擬地址空間大小 vabits_actual 變量 *實際的* 虛擬地址空間大小
因此，盡管 VA_BITS 設置了最大的虛擬地址空間大小，但實際上支持的虛擬地址空間大小由 vabits_actual 確定（具體取決于啟動時的切換）。
保持一個單一內核二進制文件的設計方法要求內核的 .text 位于高位地址中，因此它們對于 48/52 位虛擬地址是不變的。因為內核地址檢測器（KASAN）區域僅占整個內核虛擬地址空間的一小部分，因此對于 48 位或 52 位的虛擬地址空間，KASAN 區域的末尾也必須在內核虛擬地址空間的上半部分。（從 48 位切換到 52 位，KASAN 區域的末尾是不變的，且依賴于 ~0UL，而起始地址將“增長”到低位地址）
為了優化 phys_to_virt() 和 virt_to_phys()，頁偏移量將被保持在 0xFFF0000000000000 （對應于 52 位），這消除了讀取額外變量的需求。在早期啟動時將會計算 physvirt 和 vmemmap 偏移量以啟用這個邏輯。
考慮下面的物理和虛擬 RAM 地址空間的轉換：
/* * 內核線性地址開始于虛擬地址空間的底部 * 測試區域開始處的最高位已經是一個足夠的檢查，并且避免了擔心標簽的麻煩 */ #define virt_to_phys(addr) ({ \ if (!(((u64)addr) & BIT(vabits_actual - 1))) \ (((addr) & ~PAGE_OFFSET) + PHYS_OFFSET)}) #define phys_to_virt(addr) ((unsigned long)((addr) - PHYS_OFFSET) | PAGE_OFFSET) 在上面的代碼中： PAGE_OFFSET — 線性映射的虛擬地址的起始位置位于 TTBR1 地址空間 PHYS_OFFSET — 物理地址的起始位置以及 vabits_actual — *實際的*虛擬地址空間大小有幾個用戶空間應用程序可以用于調試正在運行的/活動中的內核或者分析系統崩潰時的 vmcore 轉儲（例如確定內核奔潰的根本原因）：kexec-tools、makedumpfile 和 crash-utility。
當用它們來調試 Arm64 內核時，因為 Arm64 內核內存映射被“翻轉”，因此也會對它們產生影響。這些應用程序還需要遍歷轉換表以確定與虛擬地址相應的物理地址（類似于內核中的完成方式）。
相應地，在將“翻轉”引入內核內存映射之后，由于上游破壞了用戶態應用程序，因此必須對其進行修改。
我已經提議了對三個受影響的用戶態應用程序的修復；有一些已經被上游接受，但其他仍在等待中：
提議 makedumpfile 上游的修復
提議 kexec-tools 上游的修復
已接受的 crash-utility 的修復
除非在用戶空間應用程序進行了這些修改，否則它們將仍然無法調試運行/活動中的內核或分析系統崩潰時的 vmcore 轉儲。
為了保持與依賴 ARMv8.0 虛擬地址空間的最大為 48 位的用戶空間應用程序的兼容性，在默認情況下內核會將虛擬地址從 48 位范圍返回給用戶空間。
通過指定大于 48 位的 mmap 提示參數，用戶態程序可以“選擇”從 52 位空間接收虛擬地址。
例如：
.mmap_high_addr.c---- maybe_high_address = mmap(~0UL, size, prot, flags,...);
通過啟用以下的內核配置選項，還可以構建一個從 52 位空間返回地址的調試內核：
CONFIG_EXPERT=y && CONFIG_ARM64_FORCE_52BIT=y
請注意此選項僅用于調試應用程序，不應在實際生產中使用。
以上是“ARM64內核中對52位虛擬地址支持的示例分析”這篇文章的所有內容，感謝各位的閱讀！相信大家都有了一定的了解，希望分享的內容對大家有所幫助，如果還想學習更多知識，歡迎關注億速云行業資訊頻道！
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