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在這篇文章中，我們將深入探討Linux內(nèi)核中__pa宏的工作機(jī)制，它是如何實(shí)現(xiàn)虛擬地址與物理地址之間的轉(zhuǎn)換的，以及這一機(jī)制在ARM64架構(gòu)下的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
一、引言 在操作系統(tǒng)中，內(nèi)存管理是一個(gè)核心功能
現(xiàn)代操作系統(tǒng)通常采用虛擬內(nèi)存技術(shù)，將物理內(nèi)存抽象成一個(gè)更大的、連續(xù)的地址空間，即虛擬內(nèi)存
虛擬內(nèi)存不僅提高了內(nèi)存的利用率，還提供了內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，防止程序間的相互干擾
然而，在某些情況下，系統(tǒng)需要將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，以便直接訪問(wèn)硬件資源或進(jìn)行底層操作
Linux內(nèi)核中的__pa宏正是用于這一目的
二、__pa宏的定義與工作原理 在ARM64架構(gòu)的Linux內(nèi)核中，__pa(x)是一個(gè)宏，用于將虛擬地址x轉(zhuǎn)換為物理地址
這個(gè)宏的定義位于`arch/arm64/include/asm/memory.h`文件中
讓我們逐步展開(kāi)其工作原理
1.__pa宏的展開(kāi) 首先，__pa(x)宏被展開(kāi)為`__virt_to_phys((unsignedlong)(x))`
這里，`__virt_to_phys`是一個(gè)中間宏，用于處理虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換
2.__virt_to_phys宏的展開(kāi) 在沒(méi)有開(kāi)啟調(diào)試配置（`CONFIG_DEBUG_VIRTUAL=n`）的情況下，`__virt_to_phys`宏進(jìn)一步被展開(kāi)為`__virt_to_phys_nodebug(x)`
這個(gè)宏是轉(zhuǎn)換過(guò)程的核心部分
3.__virt_to_phys_nodebug宏的實(shí)現(xiàn) `__virt_to_phys_nodebug`宏的定義同樣位于`arch/arm64/include/asm/memory.h`文件中
它的實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜，涉及多個(gè)步驟和條件判斷
define__virt_to_phys_nodebug(x)({ phys_addr_t__x= (phys_addr_t)(__tag_reset(x)); __is_lm_address(__x)? __lm_to_phys(__x): __kimg_to_phys(__x); }) 這里，`__tag_reset(x)`宏用于去除虛擬地址中的tag（如果有的話），將其還原為真正可用的虛擬地址
接著，`__is_lm_address(__x)`宏判斷該虛擬地址是否處于線性映射區(qū)域
如果是，則調(diào)用`__lm_to_phys(__x)`進(jìn)行轉(zhuǎn)換；如果不是，則調(diào)用`__kimg_to_phys(__x)`
三、線性映射區(qū)域的地址轉(zhuǎn)換 在ARM64架構(gòu)中，虛擬地址空間通常被劃分為多個(gè)區(qū)域，包括線性映射區(qū)域、內(nèi)核鏡像區(qū)域等
線性映射區(qū)域是內(nèi)核虛擬地址空間中的一個(gè)特定區(qū)域，其中的虛擬地址與物理地址之間存在線性關(guān)系
1. 線性映射區(qū)域的定義 在ARM64架構(gòu)中，線性映射區(qū)域的定義取決于虛擬地址的配置
例如，在典型的48位虛擬地址配置（`CONFIG_ARM64_VA_BITS=48`）下，線性映射區(qū)域的范圍是【0xFFFF000000000000, 0xFFFF800000000000)
2.__lm_to_phys宏的實(shí)現(xiàn) 對(duì)于線性映射區(qū)域的虛擬地址，`__lm_to_phys`宏將其轉(zhuǎn)換為物理地址
這個(gè)宏的定義如下： define__lm_to_phys(addr) (((addr) - PAGE_OFFSET) +PHYS_OFFSET) 其中，`PAGE_OFFSET`是線性區(qū)域虛擬地址相對(duì)物理地址的偏移量，`PHYS_OFFSET`是系統(tǒng)中物理地址的起始地址
在48位虛擬地址配置下，`PAGE_OFFSET`和`PHYS_OFFSET`的值分別為0xFFFF000000000000和0（假設(shè)物理地址從0開(kāi)始）
因此，線性區(qū)域的虛擬地址與物理地址之間相差`PAGE_OFFSET`
3. 線性映射關(guān)系的確定 線性映射關(guān)系的確定是在內(nèi)核初始化期間完成的
具體來(lái)說(shuō)，在`map_mem`函數(shù)中，內(nèi)核會(huì)根據(jù)物理內(nèi)存的布局和配置來(lái)確定線性映射關(guān)系
這個(gè)函數(shù)定義在`arch/arm64/mm/mmu.c`文件中
四、內(nèi)核鏡像區(qū)域的地址轉(zhuǎn)換 除了線性映射區(qū)域外，內(nèi)核鏡像區(qū)域也是虛擬地址空間中的一個(gè)重要部分
它包含了內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信
