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        Linux虚拟地址空间和物理地址空间怎么映射的?

        在之前的文章中《CPU是如何访问内存的?》,我们知道了CPU是如何访问内存的,本篇文章我们来讲下虚拟地址空间和物理地址空间的映射。

        作者:底层软件架构来源:今日头条|2019-07-10 12:40

        在之前的文章中《CPU是如何访问内存的?》,我们知道了CPU是如何访问内存的,本篇文章我们来讲下虚拟地址空间和物理地址空间的映射。

        通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间,3~4G为内核空间。注意这里是32位内核地址空间划分,64位内核地址空间划分是不同的。下面以X86为例。

        物理地址空间布局

        Linux虚拟地址空间和物理地址空间怎么映射的?

        • 物理地址空间的顶部以下一段空间,被PCI设备的I/O内存映射占据,它们的大小和布局由PCI规范所决定。
        • 640K~1M这段地址空间被BIOS和VGA适配器所占据。

        Linux系统在初始化时,会根据实际的物理内存的大小,为每个物理页面创建一个page对象,所有的page对象构成一个mem_map数组。

        进一步,针对不同的用途,Linux内核将所有的物理页面划分到3类内存管理区中,如图,分别为:

        • ZONE_DMA:范围是0~16M,该区域的物理页面专门供I/O设备的DMA使用。之所以需要单独管理DMA的物理页面,是因为DMA使用物理地址访问内存,不经过MMU,并且需要连续的缓冲区,所以为了能够提供物理上连续的缓冲区,必须从物理地址空间专门划分一段区域用于DMA。
        • ZONE_NORMAL:范围是16M~896M,该区域的物理页面是内核能够直接使用的。
        • ZONE_HIGHMEM:围是896M~结束,该区域即为高端内存,内核不能直接使用。

        linux虚拟地址内核空间分布

        Linux虚拟地址空间和物理地址空间怎么映射的?

        在kernel image下面有16M的内核空间用于DMA操作。位于内核空间高端的128M地址主要由3部分组成,分别为vmalloc area,持久化内核映射区,临时内核映射区。

        由于ZONE_NORMAL和内核线性空间存在直接映射关系,所以内核会将频繁使用的数据如kernel代码、GDT、IDT、PGD、mem_map数组等放在ZONE_NORMAL里。而将用户数据、页表(PT)等不常用数据放在ZONE_ HIGHMEM里,只在要访问这些数据时才建立映射关系(kmap())。比如,当内核要访问I/O设备存储空间时,就使用ioremap()将位于物理地址高端的mmio区内存映射到内核空间的vmalloc area中,在使用完之后便断开映射关系。

        linux虚拟地址用户空间分布

        Linux虚拟地址空间和物理地址空间怎么映射的?

        用户进程的代码区一般从虚拟地址空间的0x08048000开始,这是为了便于检查空指针。代码区之上便是数据区,未初始化数据区,堆区,栈区,以及参数、全局环境变量。

        linux虚拟地址与物理地址映射的关系

        Linux虚拟地址空间和物理地址空间怎么映射的?

        Linux将4G的线性地址空间分为2部分,0~3G为user space,3G~4G为kernel space。

        由于开启了分页机制,内核想要访问物理地址空间的话,必须先建立映射关系,然后通过虚拟地址来访问。为了能够访问所有的物理地址空间,就要将全部物理地址空间映射到1G的内核线性空间中,这显然不可能。于是,内核将0~896M的物理地址空间一对一映射到自己的线性地址空间中,这样它便可以随时访问ZONE_DMA和ZONE_NORMAL里的物理页面;此时内核剩下的128M线性地址空间不足以完全映射所有的ZONE_HIGHMEM,Linux采取了动态映射的方法,即按需的将ZONE_HIGHMEM里的物理页面映射到kernel space的***128M线性地址空间里,使用完之后释放映射关系,以供其它物理页面映射。虽然这样存在效率的问题,但是内核毕竟可以正常的访问所有的物理地址空间了。

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