理解 ARM64 内核中对 52 位虚拟地址的支持
| 2021-01-30 17:05:00 评论: 0
随着 64 位硬件的引入，增加了处理更大地址空间的需求。
当 64 位硬件变得可用之后，处理更大地址空间（大于 2^32 字节）的需求变得显而易见。现如今一些公司已经提供 64TiB 或更大内存的服务器，x86_64 架构和 arm64 架构现在允许寻址的地址空间大于 2^48 字节（可以使用默认的 48 位地址支持）。
x86_64 架构通过让硬件和软件启用五级页表以支持这些用例。它允许寻址的地址空间等于 2^57 字节（详情见 x86：在 4.12 内核中启用 5 级页表）。它突破了过去虚拟地址空间 128PiB 和物理地址空间 4PiB 的上限。
arm64 架构通过引入两个新的体系结构 —— ARMv8.2 LVA（更大的虚拟寻址） 和 ARMv8.2 LPA（更大的物理地址寻址） —— 拓展来实现相同的功能。这允许使用 4PiB 的虚拟地址空间和 4PiB 的物理地址空间（即分别为 2^52 位）。
随着新的 arm64 CPU 中支持了 ARMv8.2 体系结构拓展，同时现在开源软件也支持了这两种新的硬件拓展。
从 Linux 5.4 内核开始， arm64 架构中的 52 位（大）虚拟地址（VA）和物理地址（PA）得到支持。尽管内核文档描述了这些特性和新的内核运行时对旧的 CPU（硬件层面不支持 52 位虚拟地址拓展）和新的 CPU（硬件层面支持 52 位虚拟地址拓展）的影响，但对普通用户而言，理解这些并且如何 “选择使用” 52 位的地址空间可能会很复杂。
因此，我会在本文中介绍下面这些比较新的概念：
- 在增加了对这些功能的支持后，内核的内存布局如何“翻转”到 Arm64 架构
- 对用户态应用的影响，尤其是对提供调试支持的程序（例如：kexec-tools、 makedumpfile 和 crash-utility）
- 如何通过指定大于 48 位的 mmap 参数，使用户态应用“选择”从 52 位地址空间接受 VA？
ARMv8.2 架构的 LVA 和 LPA 拓展
ARMv8.2 架构提供两种重要的拓展：大虚拟寻址（LVA）和大物理寻址（LPA）。
当使用 64 KB 转换粒度时，ARMv8.2-LVA 为每个翻译表基地址寄存器提供了一个更大的 52 位虚拟地址空间。
在 ARMv8.2-LVA 中允许：
- 当使用 64 KB 转换粒度时，中间物理地址（IPA）和物理地址空间拓展为 52 位。
- 如果使用 64 KB 转换粒度来实现对 52 位物理地址的支持，那么一级块将会覆盖 4TB 的地址空间。
需要注意的是这些特性仅在 AArch64 架构中支持。
目前下列的 Arm64 Cortex-A 处理器支持 ARMv8.2 拓展：
- Cortex-A55
- Cortex-A75
- Cortex-A76
更多细节请参考 Armv8 架构参考手册。
Arm64 的内核内存布局
伴随着 ARMv8.2 拓展增加了对 LVA 地址的支持（仅当以页大小为 64 KB 运行时可用），在第一级转换中，描述符的数量会增加。
用户地址将 63-48 位位置为 0，然而内核地址将这些位设置为 1。TTBRx 的选择由虚拟地址的 63 位决定。swapper_pg_dir 仅包含内核（全局）映射，然而 pgd 仅包含用户（非全局）的映射。swapper_pg_dir 地址会写入 TTBR1，且永远不会写入 TTBR0。
页面大小为 64 KB 和三个级别的（具有 52 位硬件支持）的 AArch64 架构下 Linux 内存布局如下：
开始 结束 大小 用途
-----------------------------------------------------------------------
0000000000000000 000fffffffffffff 4PB 用户
fff0000000000000 fff7ffffffffffff 2PB 内核逻辑内存映射
fff8000000000000 fffd9fffffffffff 1440TB [间隙]
fffda00000000000 ffff9fffffffffff 512TB Kasan 阴影区
ffffa00000000000 ffffa00007ffffff 128MB bpf jit 区域
ffffa00008000000 ffffa0000fffffff 128MB 模块
ffffa00010000000 fffff81ffffeffff ~88TB vmalloc 区
fffff81fffff0000 fffffc1ffe58ffff ~3TB [保护区域]
fffffc1ffe590000 fffffc1ffe9fffff 4544KB 固定映射
fffffc1ffea00000 fffffc1ffebfffff 2MB [保护区域]
fffffc1ffec00000 fffffc1fffbfffff 16MB PCI I/O 空间
fffffc1fffc00000 fffffc1fffdfffff 2MB [保护区域]
fffffc1fffe00000 ffffffffffdfffff 3968GB vmemmap
ffffffffffe00000 ffffffffffffffff 2MB [保护区域]
4 KB 页面的转换查询表如下：
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63 56|55 48|47 40|39 32|31 24|23 16|15 8|7 0|
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| | | | | |
| | | | | v
| | | | | [11:0] 页内偏移量
| | | | +-> [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 页面的转换查询表如下：
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
|63 56|55 48|47 40|39 32|31 24|23 16|15 8|7 0|
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| | | | |
| | | | v
| | | | [15:0] 页内偏移量
| | | +----------> [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
内核对 52 位虚拟地址的支持
因为支持 LVA 的较新的内核应该可以在旧的 CPU（硬件不支持 LVA 拓展）和新的 CPU（硬件支持 LVA 拓展）上都正常运行，因此采用的设计方法是使用单个二进制文件来支持 52 位（如果硬件不支持该特性，则必须在刚开始启动时能回退到 48 位）。也就是说，为了满足 52 位的虚拟地址以及固定大小的 PAGE_OFFSET，VMEMMAP 必须设置得足够大。
这样的设计方式要求内核为了新的虚拟地址空间而支持下面的变量：
VA_BITS 常量 *最大的* 虚拟地址空间大小
vabits_actual 变量 *实际的* 虚拟地址空间大小
因此，尽管 VA_BITS 设置了最大的虚拟地址空间大小，但实际上支持的虚拟地址空间大小由 vabits_actual 确定（具体取决于启动时的切换）。
翻转内核内存布局
保持一个单一内核二进制文件的设计方法要求内核的 .text 位于高位地址中，因此它们对于 48/52 位虚拟地址是不变的。因为内核地址检测器（KASAN）区域仅占整个内核虚拟地址空间的一小部分，因此对于 48 位或 52 位的虚拟地址空间，KASAN 区域的末尾也必须在内核虚拟地址空间的上半部分。（从 48 位切换到 52 位，KASAN 区域的末尾是不变的，且依赖于 ~0UL，而起始地址将“增长”到低位地址）
为了优化 phys_to_virt() 和 virt_to_phys()，页偏移量将被保持在 0xFFF0000000000000 （对应于 52 位），这消除了读取额外变量的需求。在早期启动时将会计算 physvirt 和 vmemmap 偏移量以启用这个逻辑。
考虑下面的物理和虚拟 RAM 地址空间的转换：
/*
* 内核线性地址开始于虚拟地址空间的底部
* 测试区域开始处的最高位已经是一个足够的检查，并且避免了担心标签的麻烦
*/
#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)
在上面的代码中：
PAGE_OFFSET — 线性映射的虚拟地址的起始位置位于 TTBR1 地址空间
PHYS_OFFSET — 物理地址的起始位置以及 vabits_actual — *实际的*虚拟地址空间大小
对用于调试内核的用户态程序的影响
有几个用户空间应用程序可以用于调试正在运行的/活动中的内核或者分析系统崩溃时的 vmcore 转储（例如确定内核奔溃的根本原因）：kexec-tools、makedumpfile 和 crash-utility。
当用它们来调试 Arm64 内核时，因为 Arm64 内核内存映射被“翻转”，因此也会对它们产生影响。这些应用程序还需要遍历转换表以确定与虚拟地址相应的物理地址（类似于内核中的完成方式）。
相应地，在将“翻转”引入内核内存映射之后，由于上游破坏了用户态应用程序，因此必须对其进行修改。
我已经提议了对三个受影响的用户态应用程序的修复；有一些已经被上游接受，但其他仍在等待中：
除非在用户空间应用程序进行了这些修改，否则它们将仍然无法调试运行/活动中的内核或分析系统崩溃时的 vmcore 转储。
52 位用户态虚拟地址
为了保持与依赖 ARMv8.0 虚拟地址空间的最大为 48 位的用户空间应用程序的兼容性，在默认情况下内核会将虚拟地址从 48 位范围返回给用户空间。
通过指定大于 48 位的 mmap 提示参数，用户态程序可以“选择”从 52 位空间接收虚拟地址。
例如：
.mmap_high_addr.c
----
maybe_high_address = mmap(~0UL, size, prot, flags,...);
通过启用以下的内核配置选项，还可以构建一个从 52 位空间返回地址的调试内核：
CONFIG_EXPERT=y && CONFIG_ARM64_FORCE_52BIT=y
请注意此选项仅用于调试应用程序，不应在实际生产中使用。
结论
总结一下：
- 内核版本从 5.14 开始，新的 Armv8.2 硬件拓展 LVA 和 LPA 在内核中得到良好支持。
- 像 kexec-tools 和 makedumpfile 被用来调试内核的用户态应用程序现在无法支持新拓展，仍在等待上游接受修补。
- 过去的用户态应用程序依赖于 Arm64 内核提供的 48 位虚拟地址将继续原样工作，而较新的用户态应用程序通构指定超过 48 位更大的 mmap 提示参数来 “选择加入”已接受来自 52 位的虚拟地址。
