鸿蒙轻内核源码分析:虚实映射
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摘要：本文深入探讨了MMU虚实映射的核心概念与工作机制，详细解析了初始化、查询、虚拟与物理内存映射、解除映射、调整属性与重新映射等关键接口的源码实现。以OpenHarmony LiteOS-A内核为例，阐述了虚实映射的操作及其在内存管理中的作用。
虚实映射是系统通过内存管理单元（MMU）将进程空间的虚拟地址与实际物理地址建立起对应关系的过程，这一过程涉及到访问权限和缓存属性的指定。程序执行时，CPU访问虚拟内存，通过MMU找到其对应的物理内存位置，进行代码执行或数据读写操作。页表（Page Table）是描述虚拟地址与物理地址映射关系的核心数据结构，每个进程创建时都会生成自己的页表。页表条目（Page Table Entry，PTE）描述了虚拟地址区间与物理地址区间的映射关系，而页表数据的起始地址则称为转换表基地址（Translation Table Base，TTB）。为提升效率，MMU内部还维护着页表缓存（快表，TLB），在地址转换时优先查找此缓存。
本文所涉及源码来自OpenHarmony LiteOS-A内核，相关操作函数定义于文件`arch/arm/arm/src/los_arch_mmu.c`。虚实映射的具体实现涉及到多级页表机制，LiteOS-A采用二级页表描述进程空间。初级页表（L1）将地址空间细分为4096份，每份对应一个描述符，描述1MiB物理内存的映射关系。对于用户进程，每个一级页表条目描述了1MiB虚拟内存空间的映射。系统在创建用户进程时会动态分配内存作为页表存储区域。
页表描述符类型分为多个类别，包括L1和L2级页表的区分。L1页表支持三种描述符类型，而L2页表支持四种，分别用于不同级别的地址映射。页表项操作函数定义于`arch/arm/arm/include/los_pte_ops.h`，包括`OsGetPte1`和`OsGetPte2`，用于获取L1和L2页表项地址。
虚实映射初始化过程涉及到系统内存的初始化和内核地址空间的映射设置。在`kernel/base/vm/los_vm_boot.c`的`OsSysMemInit()`函数中，系统调用`OsInitMappingStartUp()`函数进行初始化。该函数涉及TLB的失效、TTV的切换、内核虚拟地址空间的映射设置等关键步骤。
虚实映射的函数`LOS_ArchMmuMap`用于映射虚拟地址区间与物理地址区间，涉及参数校验、映射数量与类型的判断等逻辑。函数`OsMapSection`则生成L1类型的页表项，用于特定地址区域的映射，而`OsMapL1PTE`负责生成L1 page table类型的页表项。映射查询函数`LOS_ArchMmuQuery`则用于获取虚拟地址对应的物理地址与映射属性。
解除虚实映射的函数`LOS_ArchMmuUnmap`提供了解除映射的逻辑，包括无效映射的解除、映射类型的区分以及对应的页表项的更新。函数`OsUnmapSection`和`OsUnmapL2PTE`则分别用于解除一级和二级页表的映射。
此外，针对映射属性修改和映射转移需求，函数`LOS_ArchMmuChangeProt`和`LOS_ArchMmuMove`提供了相应支持，允许用户调整映射属性和重新分配映射关系。
综上所述，MMU虚实映射是系统内存管理中核心的机制之一，本文通过源码分析详细阐述了其基本概念、运行机制以及在内存管理中的具体实现，为深入理解内核级内存管理提供了全面的视角。
