Linux arm64 pte相关宏

2023-09-18 11:20:55

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一、pte 和 pfn

// linux-5.4.18/arch/arm64/include/asm/pgtable.h

#define pte_pfn(pte)		(__pte_to_phys(pte) >> PAGE_SHIFT)
#define pfn_pte(pfn,prot)	\
	__pte(__phys_to_pte_val((phys_addr_t)(pfn) << PAGE_SHIFT) | pgprot_val(prot))

1.1 pte_pfn

/* PAGE_SHIFT determines the page size */
#define PAGE_SHIFT		CONFIG_ARM64_PAGE_SHIFT

CONFIG_ARM64_PAGE_SHIFT=12

通常arm64架构 PAGE_SHIFT = 12

#define pte_pfn(pte)		(__pte_to_phys(pte) >> PAGE_SHIFT)

用于从页表项（Page Table Entry，PTE）中提取页帧号（Page Frame Number，PFN）。通过将PTE转换为物理地址，然后右移位来获得页帧号。页帧号表示物理页在内存中的位置，用于访问和管理物理内存。

#define PTE_ADDR_LOW		(((_AT(pteval_t, 1) << (48 - PAGE_SHIFT)) - 1) << PAGE_SHIFT)

#define PTE_ADDR_MASK		PTE_ADDR_LOW

#define __pte_to_phys(pte)	(pte_val(pte) & PTE_ADDR_MASK)

__pte_to_phys宏根据pte来获取对应的物理地址，用于从页表项（Page Table Entry，PTE）中提取低位的物理地址。

PTE_ADDR_LOW这个宏定义的步骤如下：
（1）_AT(pteval_t, 1)：这是一个类型转换宏，将常量1强制转换为pteval_t类型。pteval_t是一个代表页表项的数据类型，在这里假设它是一个无符号整数类型。

（2）48 - PAGE_SHIFT：PAGE_SHIFT是一个常量，表示页的大小的位移量。这个表达式计算了48减去页的大小的位移量，得到了用于掩码操作的位数。

（3）(_AT(pteval_t, 1) << (48 - PAGE_SHIFT))：将1左移上一步计算得到的位数，得到一个掩码，只有最低的一些位被设置为1。

（4）(((_AT(pteval_t, 1) << (48 - PAGE_SHIFT)) - 1) << PAGE_SHIFT)：将上一步得到的掩码减去1，得到一个更低位全为1的掩码。然后将这个掩码左移PAGE_SHIFT位，相当于将物理地址的低位清零，得到一个基地址。

这个宏定义的作用是根据页表项的位宽和页的大小，计算出页表项中低位的物理地址。这个物理地址是页表项中存储的物理页的基地址，用于访问对应的物理内存。

让我们通过一个示例来分解宏的工作原理：

（1）假设PAGE_SHIFT的值是12，表示页面大小为4KB（2^12 = 4KB）。

（2）_AT(pteval_t, 1) << (48 - PAGE_SHIFT)表达式计算出一个掩码，低位被设置为1。例如，如果pteval_t是一个无符号64位整数，_AT(pteval_t, 1)的结果为1ULL（无符号长整型），那么掩码的值将是0xFFFFFFFFFFFFF000。

（3）从掩码中减去1，得到0xFFFFFFFFFFFFEFFF。

（4）将掩码左移PAGE_SHIFT位（在这个示例中为12位），有效地将低12位清零，结果为0xFFFFFFFFFFFFF000。这代表了物理页的基地址。

（5）执行位与操作pte & PTE_ADDR_LOW，保留了PTE中物理地址的低位，丢弃了高位。

通过这种方式应用宏，你可以从页表项中提取物理地址的低位。得到的值表示与PTE相关联的物理页的基地址。

1.2 pfn_pte

typedef struct { pteval_t pgprot; } pgprot_t;
#define pgprot_val(x)	((x).pgprot)

#define __phys_to_pte_val(phys)	(phys)

#define pfn_pte(pfn,prot)	\
	__pte(__phys_to_pte_val((phys_addr_t)(pfn) << PAGE_SHIFT) | pgprot_val(prot))

用于将页帧号（Page Frame Number，PFN）和页面保护属性（Page Protection，prot）转换为页表项（Page Table Entry，PTE）。

这个宏定义的作用是将PFN和页面保护属性转换为PTE。它通过将PFN左移位得到物理地址，然后将物理地址转换为PTE的值。接着，将页面保护属性的值与PTE的值进行按位或操作，得到最终的PTE。这个PTE可以用于更新或设置页表中的条目，以实现对应PFN的映射和页面的保护。

二、其他宏

（1）

#define pte_none(pte)		(!pte_val(pte))
#define pte_clear(mm,addr,ptep)	set_pte(ptep, __pte(0))
#define pte_page(pte)		(pfn_to_page(pte_pfn(pte)))

pte_none(pte): 这个宏判断给定的PTE是否为空。它使用了pte_val(pte)宏，将PTE转换为数值，然后判断该数值是否为0。如果数值为0，表示该PTE为空，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_clear(mm, addr, ptep): 这个宏用于将给定的PTE清空，即将其设置为0。它使用了set_pte(ptep, __pte(0))，将给定的PTE指针（ptep）设置为值为0的新的PTE。这样就清除了该PTE所指向的页表项。

pte_page(pte): 这个宏用于从PTE中获取对应的页结构（Page）指针。它使用了pte_pfn(pte)宏获取PTE的页帧号（PFN），并将其传递给pfn_to_page()函数，以获取与该PFN对应的页结构指针。

（2）

// linux-5.4.18/arch/arm64/include/asm/pgtable-hwdef.h

/*
 * Level 3 descriptor (PTE).
 */
#define PTE_VALID		(_AT(pteval_t, 1) << 0)
#define PTE_TYPE_MASK		(_AT(pteval_t, 3) << 0)
#define PTE_TYPE_PAGE		(_AT(pteval_t, 3) << 0)
#define PTE_TABLE_BIT		(_AT(pteval_t, 1) << 1)
#define PTE_USER		(_AT(pteval_t, 1) << 6)		/* AP[1] */
#define PTE_RDONLY		(_AT(pteval_t, 1) << 7)		/* AP[2] */
#define PTE_SHARED		(_AT(pteval_t, 3) << 8)		/* SH[1:0], inner shareable */
#define PTE_AF			(_AT(pteval_t, 1) << 10)	/* Access Flag */
#define PTE_NG			(_AT(pteval_t, 1) << 11)	/* nG */
#define PTE_DBM			(_AT(pteval_t, 1) << 51)	/* Dirty Bit Management */
#define PTE_CONT		(_AT(pteval_t, 1) << 52)	/* Contiguous range */
#define PTE_PXN			(_AT(pteval_t, 1) << 53)	/* Privileged XN */
#define PTE_UXN			(_AT(pteval_t, 1) << 54)	/* User XN */
#define PTE_HYP_XN		(_AT(pteval_t, 1) << 54)	/* HYP XN */

/*
 * The following only work if pte_present(). Undefined behaviour otherwise.
 */
#define pte_present(pte)	(!!(pte_val(pte) & (PTE_VALID | PTE_PROT_NONE)))
#define pte_young(pte)		(!!(pte_val(pte) & PTE_AF))
#define pte_special(pte)	(!!(pte_val(pte) & PTE_SPECIAL))
#define pte_write(pte)		(!!(pte_val(pte) & PTE_WRITE))
#define pte_user_exec(pte)	(!(pte_val(pte) & PTE_UXN))
#define pte_cont(pte)		(!!(pte_val(pte) & PTE_CONT))
#define pte_devmap(pte)		(!!(pte_val(pte) & PTE_DEVMAP))

这些宏定义用于处理页表项（Page Table Entry，PTE），但前提是PTE必须处于有效状态。否则，行为未定义。

pte_present(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为有效状态（即存在于内存中）。它使用了pte_val(pte)宏将PTE转换为数值，然后通过位掩码检查PTE_VALID和PTE_PROT_NONE是否同时存在于该数值中。如果两个位都存在，表示PTE为有效状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_young(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为"young"状态，即表示该页最近被访问过。它使用了pte_val(pte)宏将PTE转换为数值，然后通过位掩码检查PTE_AF是否存在于该数值中。如果存在，表示PTE为"young"状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_special(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为特殊标记状态。它使用了pte_val(pte)宏将PTE转换为数值，然后通过位掩码检查PTE_SPECIAL是否存在于该数值中。如果存在，表示PTE为特殊标记状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_write(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为可写状态。它使用了pte_val(pte)宏将PTE转换为数值，然后通过位掩码检查PTE_WRITE是否存在于该数值中。如果存在，表示PTE为可写状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_user_exec(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否允许用户态执行。它使用了pte_val(pte)宏将PTE转换为数值，然后通过位掩码检查PTE_UXN是否不存在于该数值中。如果不存在，表示PTE允许用户态执行，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_cont(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为连续标记状态。它使用了pte_val(pte)宏将PTE转换为数值，然后通过位掩码检查PTE_CONT是否存在于该数值中。如果存在，表示PTE为连续标记状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_devmap(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为设备映射标记状态。它使用了pte_val(pte)宏将PTE转换为数值，然后通过位掩码检查PTE_DEVMAP是否存在于该数值中。如果存在，表示PTE为设备映射标记状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

#define pte_hw_dirty(pte)	(pte_write(pte) && !(pte_val(pte) & PTE_RDONLY))
#define pte_sw_dirty(pte)	(!!(pte_val(pte) & PTE_DIRTY))
#define pte_dirty(pte)		(pte_sw_dirty(pte) || pte_hw_dirty(pte))

#define pte_valid(pte)		(!!(pte_val(pte) & PTE_VALID))
#define pte_valid_not_user(pte) \
	((pte_val(pte) & (PTE_VALID | PTE_USER)) == PTE_VALID)
#define pte_valid_young(pte) \
	((pte_val(pte) & (PTE_VALID | PTE_AF)) == (PTE_VALID | PTE_AF))
#define pte_valid_user(pte) \
	((pte_val(pte) & (PTE_VALID | PTE_USER)) == (PTE_VALID | PTE_USER))

这些宏定义用于进一步处理页表项（Page Table Entry，PTE），提供了更多的状态判断和标记位操作。

下面是每个宏定义的说明：
pte_hw_dirty(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为硬件脏页状态。它使用了pte_write(pte)宏判断PTE是否可写，然后通过位掩码检查PTE_RDONLY是否不存在于PTE的数值中。如果PTE可写且不是只读状态，表示PTE为硬件脏页状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_sw_dirty(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为软件脏页状态。它使用了pte_val(pte)宏将PTE转换为数值，然后通过位掩码检查PTE_DIRTY是否存在于该数值中。如果存在，表示PTE为软件脏页状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_dirty(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为脏页状态（硬件脏页或软件脏页）。它使用了pte_sw_dirty(pte)宏判断PTE是否为软件脏页，以及pte_hw_dirty(pte)宏判断PTE是否为硬件脏页。如果PTE为软件脏页或硬件脏页状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_valid(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为有效状态。它使用了pte_val(pte)宏将PTE转换为数值，然后通过位掩码检查PTE_VALID是否存在于该数值中。如果存在，表示PTE为有效状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_valid_not_user(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为有效状态且不是用户态的。它使用了位掩码检查PTE_VALID和PTE_USER是否同时存在于PTE的数值中。如果同时存在，表示PTE为有效状态且不是用户态的，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_valid_young(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为有效状态且是"young"状态。它使用了位掩码检查PTE_VALID和PTE_AF是否同时存在于PTE的数值中。如果同时存在，表示PTE为有效状态且是"young"状态，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

pte_valid_user(pte): 这个宏用于判断给定的PTE是否为有效状态且是用户态的。它使用了位掩码检查PTE_VALID和PTE_USER是否同时存在于PTE的数值中。如果同时存在，表示PTE为有效状态且是用户态的，返回值为真（非零）；否则返回假（0）。

参考资料

Linux 5.4.18

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