From f19901f79b1f7b0a116b72be2c473c723467308e Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: Xingyu Wang Date: Sat, 30 Jan 2021 17:05:23 +0800 Subject: [PATCH] PRF @mengxinayan --- ...ual address support in the Arm64 kernel.md | 98 ++++++++++--------- 1 file changed, 50 insertions(+), 48 deletions(-) diff --git a/translated/tech/20201216 Understanding 52-bit virtual address support in the Arm64 kernel.md b/translated/tech/20201216 Understanding 52-bit virtual address support in the Arm64 kernel.md index e2acf4c5cd..3942ba32ce 100644 --- a/translated/tech/20201216 Understanding 52-bit virtual address support in the Arm64 kernel.md +++ b/translated/tech/20201216 Understanding 52-bit virtual address support in the Arm64 kernel.md @@ -1,43 +1,45 @@ [#]: collector: (lujun9972) [#]: translator: (mengxinayan) -[#]: reviewer: ( ) +[#]: reviewer: (wxy) [#]: publisher: ( ) [#]: url: ( ) [#]: subject: (Understanding 52-bit virtual address support in the Arm64 kernel) [#]: via: (https://opensource.com/article/20/12/52-bit-arm64-kernel) [#]: author: (Bhupesh Sharma https://opensource.com/users/bhsharma) -理解 ARM64 内核中对 52 比特虚拟地址的支持 +理解 ARM64 内核中对 52 位虚拟地址的支持 ====== -随着 64 比特硬件的普及，增加了处理更大地址空间的需求。 -![拼图碎片聚在一起形成计算机屏幕][1] -当 64 比特硬件变得可用之后，处理更大地址空间（大于232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 248 字节（可以使用默认的 48 比特地址支持）。 +> 随着 64 位硬件的引入，增加了处理更大地址空间的需求。 -x86_64 架构通过让硬件和软件支持五级页表以支持这些用例。它允许寻址的地址空间等于 257 字节（详情见 [x86：在 4.12 内核中启用 5 级页表][2]）。它突破了过去虚拟地址空间 128PiB 和 物理地址空间 4PiB 的上限。 +![](https://img.linux.net.cn/data/attachment/album/202101/30/170448rynbm9b6nmb90403.jpg) -arm64 架构通过引入两个新的体系结构拓展来实现相同的功能—ARMv8.2 LVA（更大的虚拟寻址） 和 ARMv8.2 LPA（更大的物理地址寻址）。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 252 比特）。 +当 64 位硬件变得可用之后，处理更大地址空间（大于 232 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 248 字节（可以使用默认的 48 位地址支持）。 -在新的 arm64 CPU 中已经支持了 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。 +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 257 字节（详情见 [x86：在 4.12 内核中启用 5 级页表][2]）。它突破了过去虚拟地址空间 128PiB 和物理地址空间 4PiB 的上限。 -从 5.4 内核开始， arm64 架构中的52 比特（大）虚拟地址（VA）和物理地址（PA）得到支持。尽管[内核文档][3]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 比特虚拟地址拓展）和新的 CPU（硬件层面支持 52 比特虚拟地址拓展）的影响，但对普通用户而言理解这些并且如何“选择使用”52比特的地址空间可能会很复杂。 +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 252 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][3]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： 1. 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 - 2. 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） - 3. 如何通过指定大于 48 比特的 mmap 参数，使用户态应用“选择”接收 52 比特地址？ + 2. 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） + 3. 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：更大的虚拟地址（LVA）和更大的物理地址（LPA）。 +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 为每个基地址寄存器提供了一个更大的 52 比特虚拟地址空间。 +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 中包含： +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 比特。 - * 如果使用 64 KB 转换粒度来实现对 52 比特物理地址的支持，那么一级块将会覆盖 4TB 的地址空间。 + * 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。_ @@ -49,13 +51,13 @@ _需要注意的是这些特性仅在 AArch64 架构中支持。_ 更多细节请参考 [Armv8 架构参考手册][4]。 -### Arm64 中的内核内存布局 +### 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（仅当页大小为 64 KB 是可用），在第一级翻译中，描述符的数量会增加。 +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 比特位置为 0，然而内核地址将这些比特位置为 1。TTBRx 选择由虚拟地址的 63 比特位决定。`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。 +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 比特硬件支持）的 AArch64 架构下 Linux 内存布局如下：** +**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 @@ -85,11 +87,11 @@ _需要注意的是这些特性仅在 AArch64 架构中支持。_    |                 |         |         |         |         |    |                 |         |         |         |         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 + | | | | +-> [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：** @@ -101,18 +103,18 @@ _需要注意的是这些特性仅在 AArch64 架构中支持。_    |                 |    |               |              |    |                 |    |               |              v    |                 |    |               |            [15:0]  页内偏移量 -   |                 |    |               +----------> [28:16] L3 索引 -   |                 |    +--------------------------> [41:29] L2 索引 - | +-------------------------------> [47:42] L1 索引 (48 比特) - | [51:42] L1 索引 (52 比特) -   +-------------------------------------------------> [63] TTBR0/1 +   |                 |    |               +----------> [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 ``` ![][5] -### 内核对 52 比特虚拟地址的支持 +### 内核对 52 位虚拟地址的支持 -因为支持 LVA 的较新的内核应在旧的CPU（硬件不支持 LVA 拓展）和新的CPU（硬件支持 LVA 拓展）上都可以正常运行，因此采用的设计方法是使用单个二进制文件来支持 52 比特（如果硬件不支持该特性，则必须在刚开始启动时能回到 48 比特）。也就是说，为了满足 52 比特的虚拟地址以及固定大小的 `PAGE_OFFSET`，VMEMMAP 必须设置得足够大。 +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： @@ -122,13 +124,13 @@ 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） +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 -保持一个单内核二进制文件的设计方法要求内核的 .text 文件位于高位地址中，因此它们对于 48/52 比特虚拟地址都不变。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 比特或 52 比特的虚拟地址空间，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 比特切换到 52 比特，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） +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 比特），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。 +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： @@ -139,8 +141,8 @@ vabits_actual 变量 *实际的* 虚拟地址空间大小 */ #define virt_to_phys(addr) ({ \ - if (!(((u64)addr) & BIT(vabits_actual - 1))) \ - (((addr) & ~PAGE_OFFSET) + PHYS_OFFSET) + if (!(((u64)addr) & BIT(vabits_actual - 1))) \ + (((addr) & ~PAGE_OFFSET) + PHYS_OFFSET) }) #define phys_to_virt(addr) ((unsigned long)((addr) - PHYS_OFFSET) | PAGE_OFFSET) @@ -152,11 +154,11 @@ vabits_actual 变量 *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 -一些用户空间应用程序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。 +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，由于上游中断了用户态应用程序，因此必须对其进行修改。 +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： @@ -166,25 +168,25 @@ vabits_actual 变量 *实际的* 虚拟地址空间大小 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 比特用户态虚拟地址 +### 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 比特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 比特范围返回给用户空间。 +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 比特空间接收虚拟地址。 +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 比特空间返回地址的调试内核： +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` +   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。_ @@ -193,9 +195,9 @@ _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 总结一下： -1. 内核版本从 5.14 开始，新的 Armv8.2 硬件拓展 LVA 和 LPA 在内核中得到很好的拓展。 +1. 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。 2. 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。 -3. 过去的用户态应用程序依赖于 Arm64 内核提供的 48 比特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 比特更大的 mmap 提示参数来 “选择加入”已接受来自 52 比特的虚拟地址。 +3. 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。 * * * @@ -208,7 +210,7 @@ via: https://opensource.com/article/20/12/52-bit-arm64-kernel 作者：[Bhupesh Sharma][a] 选题：[lujun9972][b] 译者：[萌新阿岩](https://github.com/mengxinayan) -校对：[校对者ID](https://github.com/校对者ID) +校对：[wxy](https://github.com/wxy) 本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出