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上篇分析了RISC-V Linux啟動的頁表創建，提到RISC-V Linux入口地址必須2M對齊，今天講講如何解決2M對齊的問題，或者說如何優化部分內存。

注意：本文基于linux5.10.111內核

內存占用分析

每顆芯片在出廠時，其bootrom就已經固化在芯片內部，假設bootrom的地址是0x0，即上電后，會從0x0地址處開始運行程序。

在啟動RISC-V Linux之前，需要先運行opensbi，因此應該把opensbi放到地址0x0處，這樣芯片上電后，就會從0x0地址處執行opensbi。在opensbi運行完后，會跳轉到opensbi運行地址偏移2M的位置去執行下一級boot（這里下一級boot是kernel），即跳轉到0x200000地址處運行kernel，因此應該把kernel放到內存的0x200000處。

內存分布示意圖如下：

對于kernel來說，在啟動時會從自己的kernel加載地址處（即0x200000）開始建立頁表映射，只有對物理內存建立了頁表映射，后面才能訪問這些內存。而kernel加載地址前面的2M內存（即0x0 - 0x200000）將被kernel忽略，不會對這2M內存建立頁表，即kernel無法訪問這2M內存。

在QEMU上RISC-V Linux的啟動信息：

但opensbi實際不需要使用2M這么大的范圍，默認是512KB，opensbi的pmp會保護這512KB內存，不讓其他程序訪問。

因此在Kernel和opensbi之間會存在1.5M的內存空隙，并且這部分內存空隙沒有程序使用，這就會造成內存浪費，那如何讓kernel將前面的一部分內存也利用起來呢？

優化方案

對這2M內存的優化，有兩種方案：

方案一：將opensbi放到內存的最后面，kernel入口地址仍然保持2M對齊。

方案二：opensbi仍然放到內存的起始位置，通過修改內核源碼，解除2M對齊限制，即可將kernel地址往前挪。

方案一

我們將opensbi放到內存的最后面，kernel入口地址仍然保持2M對齊。

即kernel放到內存的最前面，opensbi放到后面：

例如kernel放到內存的0x0地址處，opensbi放到內存的0x10000000地址處。這樣kernel前面就不會有預留內存，只不過這樣需要修改bootrom的地址，將地址從0x0修改為0x0x10000000。這種方案只適合芯片還沒出廠前，因為用戶無法修改bootrom的地址，芯片出廠后，bootrom地址是固定的，假設bootrom地址為0x0，那么芯片上電后，就會從0x0開始運行程序，所以opensbi必須放到0x0地址處，這樣必然kernel只能往后偏移2M。

方案二

我們也可以修改RISC-V Linux的內核源碼，解除2M對齊的限制。我們只需要在setup_vm()函數中，將原來的二級頁表改為三級頁表，這樣kernel入口地址只需要4K對齊，因此就能將kernel往前挪，從而利用前面的內存。

修改代碼

路徑：arch/riscv/mm/init.c

注釋原來的2M對齊檢查：

對kernel的前2M頁表映射由二級頁表改為三級頁表：

//新增一個PTE
pte_t trampoline_pte[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;

create_pgd_mapping(trampoline_pg_dir,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)trampoline_pmd,PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(trampoline_pmd,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)trampoline_pte,PMD_SIZE,PAGE_TABLE);

end_va = PAGE_OFFSET + PMD_SIZE;
for (va = PAGE_OFFSET; va < end_va; va += PAGE_SIZE)
{
    create_pte_mapping(trampoline_pte,PAGE_OFFSET,
                   load_pa + (va - PAGE_OFFSET),
                       PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);
}

登錄后復制

對整個kernel的頁表映射由二級頁表改為三級頁表：

假設kernel大小為4M+

//定義三個PTE
pte_t load_sz_pte[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;
pte_t load_sz_pte1[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;
pte_t load_sz_pte2[PTRS_PER_PTE] __page_aligned_bss;

//=======0-2M======
create_pgd_mapping(early_pg_dir,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)early_pmd,PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(early_pmd,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)load_sz_pte,PMD_SIZE,PAGE_TABLE);

end_va = PAGE_OFFSET + PMD_SIZE;
for (va = PAGE_OFFSET; va < end_va; va += PAGE_SIZE)
{
    create_pte_mapping(load_sz_pte,PAGE_OFFSET,
                   load_pa + (va - PAGE_OFFSET),
                       PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);
}

//=======2-4M==========
create_pgd_mapping(early_pg_dir,PAGE_OFFSET + PMD_SIZE,
                   (uintptr_t)early_pmd,PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(early_pmd,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)load_sz_pte1,PMD_SIZE,PAGE_TABLE);

end_va = PAGE_OFFSET + (PMD_SIZE * 2);
for (va = PAGE_OFFSET + PMD_SIZE; va < end_va; va += PAGE_SIZE)
{
    create_pte_mapping(load_sz_pte1,va,
                   load_pa + (va - PAGE_OFFSET),
                       PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);
}

//=======4-6M==========
create_pgd_mapping(early_pg_dir,PAGE_OFFSET + (PMD_SIZE*2),
                   (uintptr_t)early_pmd,PGDIR_SIZE,PAGE_TABLE);
create_pmd_mapping(early_pmd,PAGE_OFFSET,
                   (uintptr_t)load_sz_pte2,PMD_SIZE,PAGE_TABLE);

end_va = PAGE_OFFSET + (PMD_SIZE * 3);
for (va = PAGE_OFFSET + (PMD_SIZE*2); va < end_va; va += PAGE_SIZE)
{
    create_pte_mapping(load_sz_pte2,va,
                   load_pa + (va - PAGE_OFFSET),
                       PAGE_SIZE,PAGE_KERNEL_EXEC);
}

登錄后復制

通過以上的代碼修改，就能將Kernel入口地址往前挪1.5M，只給opensbi預留512KB，這樣RISC-V Linux啟動之后，可用物理內存就會增加。