實戰 | RISC-V Linux入口位址2M預留記憶體優化

上篇分析了RISC-V Linux啟動的頁表創建，提到RISC-V Linux入口地址必須2M對齊，今天講講如何解決2M對齊的問題，或者說如何優化部分內存。

注意：本文基於linux5.10.111核心

#記憶體佔用分析

#每顆晶片在出廠時，其bootrom就已經固化在晶片內部，假設bootrom的位址是0x0，即上電後，會從0x0位址開始運作程式。

在啟動RISC-V Linux之前，需要先運行opensbi，因此應該把opensbi放到位址0x0處，這樣晶片上電後，就會從0x0地址處執行opensbi。 opensbi運行完後，會跳到opensbi運行位址偏移2M的位置去執行下一級boot（這裡下一級boot是kernel），即跳到0x200000位址處運行kernel，因此應該把kernel放到記憶體的0x200000處。

記憶體分佈示意圖如下：

對於kernel來說，在啟動時會從自己的kernel載入位址處（即0x200000）開始建立頁表映射，只有對物理記憶體建立了頁表映射，後面才能存取這些記憶體。而kernel載入位址前面的2M記憶體（即0x0 - 0x200000）將被kernel忽略，不會對這2M記憶體建立頁表，即kernel無法存取這2M記憶體。

在QEMU上RISC-V Linux的啟動資訊：

#但opensbi實際上不需要使用2M這麼大的範圍，預設是512KB ，opensbi的pmp會保護這512KB內存，不讓其他程式存取。

因此在Kernel和opensbi之間會存在1.5M的記憶體空隙，而這部分記憶體空隙沒有程式使用，這就會造成記憶體浪費，那要如何讓kernel將前面的一部分記憶體也利用起來呢？

優化方案

#對這2M記憶體的最佳化，有兩個方案：

#方案一：將opensbi放到記憶體的最後面，kernel入口位址仍保持2M對齊。

方案二：opensbi仍放到記憶體的起始位置，透過修改核心原始碼，解除2M對齊限制，即可將kernel位址往前移。

方案一

我們將opensbi放到記憶體的最後面，kernel入口位址仍然保持2M對齊。

即kernel放到記憶體的最前面，opensbi放到後面：

#例如kernel放到記憶體的0x0位址處，opensbi放到記憶體的0x10000000位址處。這樣kernel前面就不會有預留內存，只不過這樣需要修改bootrom的位址，將位址從0x0修改為0x0x10000000。這個方案只適合晶片還沒出廠前，因為用戶無法修改bootrom的位址，晶片出廠後，bootrom位址是固定的，假設bootrom位址為0x0，那麼晶片上電後，就會從0x0開始執行程序，所以opensbi必須放到0x0位址處，這樣必然kernel只能往後偏移2M。

方案二

我們也可以修改RISC-V Linux的核心源碼，解除2M對齊的限制。我們只需要在setup_vm()函數中，將原來的二級頁表改為三級頁表，這樣kernel入口位址只需要4K對齊，因此就能將kernel往前挪，從而利用前面的記憶。

修改程式碼

路徑：arch/riscv/mm/init.c

註解原來的2M對齊檢查：

對kernel的前2M頁表映射由二級頁表改為三級頁表：

//新增一个PTE
pte_t trampoline_pte[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;

create_pgd_mapping(trampoline_pg_dir,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)trampoline_pmd,PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(trampoline_pmd,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)trampoline_pte,PMD_SIZE,PAGE_TABLE);

end_va = PAGE_OFFSET + PMD_SIZE;
for (va = PAGE_OFFSET; va < end_va; va += PAGE_SIZE)
{
    create_pte_mapping(trampoline_pte,PAGE_OFFSET,
                   load_pa + (va - PAGE_OFFSET),
                       PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);
}

整個kernel的頁表映射由二級頁表改為三級頁表：

假設kernel大小為4M

//定义三个PTE
pte_t load_sz_pte[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;
pte_t load_sz_pte1[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;
pte_t load_sz_pte2[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;

//=======0-2M======
create_pgd_mapping(early_pg_dir,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)early_pmd,PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(early_pmd,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)load_sz_pte,PMD_SIZE,PAGE_TABLE);

end_va = PAGE_OFFSET + PMD_SIZE;
for (va = PAGE_OFFSET; va < end_va; va += PAGE_SIZE)
{
    create_pte_mapping(load_sz_pte,PAGE_OFFSET,
                   load_pa + (va - PAGE_OFFSET),
                       PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);
}

//=======2-4M==========
create_pgd_mapping(early_pg_dir,PAGE_OFFSET + PMD_SIZE,
                   (uintptr_t)early_pmd,PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(early_pmd,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)load_sz_pte1,PMD_SIZE,PAGE_TABLE);

end_va = PAGE_OFFSET + (PMD_SIZE * 2);
for (va = PAGE_OFFSET + PMD_SIZE; va < end_va; va += PAGE_SIZE)
{
    create_pte_mapping(load_sz_pte1,va,
                   load_pa + (va - PAGE_OFFSET),
                       PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);
}

//=======4-6M==========
create_pgd_mapping(early_pg_dir,PAGE_OFFSET + (PMD_SIZE*2),
                   (uintptr_t)early_pmd,PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(early_pmd,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)load_sz_pte2,PMD_SIZE,PAGE_TABLE);

end_va = PAGE_OFFSET + (PMD_SIZE * 3);
for (va = PAGE_OFFSET + (PMD_SIZE*2); va < end_va; va += PAGE_SIZE)
{
    create_pte_mapping(load_sz_pte2,va,
                   load_pa + (va - PAGE_OFFSET),
                       PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);
}

透過以上的程式碼修改，就能將Kernel入口位址往前挪1.5M，只給opensbi預留512KB，這樣RISC-V Linux啟動之後，可用實體記憶體就會增加。

總結

#RISC-V Linux入口位址2M對齊的操作目前還沒看到有人解釋，不過應該就是為了預留給opensbi2M，於是kernel只建立了二級頁表，使得入口位址必須2M對齊。對這部分記憶體的最佳化解決方案，目前也沒人給出，希望本文的優化方案能夠幫助到有些人，也希望能夠給大家一些啟發。

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