1、pgd_addr_end

根據當前虛擬地址 addr 和目標結束地址 end，計算當前 PGD 項 能夠覆蓋的最大虛擬地址范圍的結束地址 next。

• 如果 addr 和 end 跨越多個 PGD 項（即 end 超出當前 PGD 項的地址范圍），則返回當前 PGD 項的地址邊界。
• 如果 end 在當前 PGD 項的地址范圍內，則返回 end。
• 在建立頁表映射時，內核需要逐個處理每個 PGD 項對應的地址范圍。通過 pgd_addr_end，可以確定當前 PGD 項需要處理的地址范圍 [addr, next)，并更新 addr 為 next，以便處理下一個 PGD 項。

頁表建立參考

do {next = pgd_addr_end(addr, end); // 計算當前 PGD 項的地址范圍alloc_init_pud(pgd, addr, next, phys, prot, alloc); // 初始化 PUD 頁表phys += next - addr; // 更新物理地址偏移
} while (pgd++, addr = next, addr != end);

• 流程解釋：
  • 循環處理每個 PGD 項：通過 do-while 循環，逐個處理 PGD 項。
  • 計算當前 PGD 項的地址范圍：通過 pgd_addr_end 確定當前 PGD 項的地址范圍 [addr, next)。
  • 初始化下級頁表：調用 alloc_init_pud 為當前 PGD 項分配并初始化 PUD 頁表。
  • 更新物理地址偏移：根據當前處理的地址范圍大小（next - addr）調整物理地址 phys。
  • 移動到下一個 PGD 項：更新 addr 為 next，并繼續處理下一個 PGD 項，直到 addr == end。

2、pgd_offset_k

pgd_offset_k(addr) 是 Linux 內核中用于 獲取內核頁全局目錄（PGD）中對應虛擬地址 addr 的頁表項地址 的宏。它是內核頁表操作的核心宏之一，主要用于內核虛擬地址空間的映射初始化（如 early_fixmap_init）和頁表建立（如 create_mapping）等場景。

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1. 宏的定義與展開

#define pgd_offset_k(addr) pgd_offset(&init_mm, addr)

• init_mm：內核的全局內存描述符（mm_struct），表示內核的地址空間（與進程的 mm 分離）。
• pgd_offset(mm, addr)：根據 mm 的 PGD 基地址和 addr 計算對應的 PGD 項地址。

進一步展開：

#define pgd_offset(mm, addr) ((mm)->pgd + pgd_index(addr))

• (mm)->pgd：內核 PGD 的基地址（init_mm.pgd）。
• pgd_index(addr)：從 addr 中提取 PGD 項的索引。

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2. pgd_index(addr) 的計算

#define pgd_index(addr) (((addr) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD - 1))

• PGDIR_SHIFT：定義 PGD 項的位移量，決定 PGD 項覆蓋的地址范圍。例如：
  • 對于 ARM64（4 級頁表），PGDIR_SHIFT = 39，每個 PGD 項覆蓋 2^(48-39) = 512GB 地址空間。
• PTRS_PER_PGD：PGD 項的數量（通常為 1 << (PGDIR_SHIFT - VA_BITS_SHIFT)，例如 512 項）。
• 作用：通過右移 addr 并掩碼，提取 PGD 項的索引。

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3. 典型使用場景

3.1 早期內核映射初始化（early_fixmap_init）

在內核啟動階段，early_fixmap_init 函數會使用 pgd_offset_k 初始化固定映射區域（fixmap）的頁表：

pgd_t *pgd = pgd_offset_k(FIXADDR_START);
__pgd_populate(pgd, __pa_symbol(bm_pud), PUD_TYPE_TABLE);

• 作用：將 bm_pud（預分配的 PUD 頁表）的物理地址寫入 PGD 項中，建立從 FIXADDR_START 到 bm_pud 的映射。
• 后續步驟：通過 pud_offset、pmd_offset、pte_offset 逐級填充頁表。

3.2 通用頁表建立（create_mapping）

在內核中，create_mapping 函數會通過 pgd_offset_k 遍歷虛擬地址范圍并建立頁表：

pgd_t *pgd = pgd_offset_k(virt_addr);
do {next = pgd_addr_end(addr, end);alloc_init_pud(pgd, addr, next, phys, prot);phys += next - addr;addr = next;
} while (pgd++, addr != end);

• 作用：逐個處理每個 PGD 項的地址范圍，初始化下級頁表（PUD → PMD → PTE）。

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4. ARM64 架構示例

假設：

• addr = 0xffff7ffffabfe000（FIXADDR_START）
• init_mm.pgd = 0xffff800000ef0000
• PGDIR_SHIFT = 39，PTRS_PER_PGD = 512

4.1 計算 pgd_index(addr)

pgd_index(addr) = (0xffff7ffffabfe000 >> 39) & 0x1ff = 0xff

• 解釋：addr 的高 9 位（0x1ff）即為 PGD 項的索引。

4.2 計算 pgd_offset_k(addr)

pgd_offset_k(addr) = init_mm.pgd + 0xff * sizeof(pgd_t)

• ARM64 中 pgd_t 占 8 字節，因此：

  pgd_offset_k(addr) = 0xffff800000ef0000 + 0xff * 8 = 0xffff800000ef07f8
  

• 結果：這是 addr 在內核 PGD 中對應項的虛擬地址。

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5. 關鍵點總結

1. 目的：

   • 快速定位內核虛擬地址 addr 在 PGD 中的項地址。
   • 為后續頁表建立（如 PUD、PMD、PTE）提供起點。

2. 層級關系：

   • pgd_offset_k 屬于頁表操作宏的第一級（PGD），后續通過 pud_offset、pmd_offset、pte_offset 逐級展開。

3. 架構依賴：

   • PGDIR_SHIFT 和 PTRS_PER_PGD 的定義依賴于架構（如 ARM64、x86）和頁表層級（4 級或 2 級）。

4. 應用場景：

   • 早期內核映射（fixmap、ioremap）。
   • 動態內存映射（vmalloc、ioremap）。
   • 設備樹（DTB）的加載（通過 fixmap 映射物理地址）。

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6. 常見問題

Q1：為什么 pgd_offset_k 使用 init_mm？

• 原因：內核地址空間是全局的，所有進程共享同一個內核 PGD（init_mm.pgd）。通過 init_mm 可直接訪問內核頁表。

Q2：如何驗證 pgd_offset_k 的正確性？

• 調試方法：在 early_fixmap_init 中打印 pgd_offset_k(addr) 的值，并檢查其是否對應預期的 PGD 項地址（如通過 pr_err 輸出）。

Q3：ARM64 中為何需要乘以 8？

• 原因：ARM64 的每個 PGD 項占用 8 字節（64 位），因此索引 0xff 對應的偏移量為 0xff * 8 = 0x7f8。

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7. 擴展：頁表層級劃分（以 ARM64 為例）

層級	宏	地址位移	頁表項大小	映射范圍
PGD	pgd_index(addr)	>> 39	8 字節	512GB
PUD	pud_index(addr)	>> 30	8 字節	1GB
PMD	pmd_index(addr)	>> 21	8 字節	2MB
PTE	pte_index(addr)	>> 12	8 字節	4KB

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總結

pgd_offset_k(addr) 是內核頁表操作的基礎，通過計算虛擬地址 addr 在 PGD 中的項地址，為后續的頁表建立提供起點。理解其工作原理對于調試內核內存管理、分析頁表初始化流程至關重要。