电子技术论坛_中国专业的电子工程师学习交流社区-中电网技术论坛

标题: 探索 Linux 内存模型（2） [打印本页]

作者: look_w 时间: 2018-5-18 21:11 标题: 探索 Linux 内存模型（2）

Linux 中的段控制单元Linux 对这个模型稍微进行了修改。我注意到 Linux 以一种受限的方法来使用这种分段模型（主要是出于兼容性方面的考虑）。
在 Linux 中，所有的段寄存器都指向相同的段地址范围 —— 换言之，每个段寄存器都使用相同的线性地址。这使 Linux 所用的段描述符数量受限，从而可将所有描述符都保存在 GDT 之中。这种模型有两个优点：

当所有的进程都使用相同的段寄存器值时（当它们共享相同的线性地址空间时），内存管理更为简单。
在大部分架构上都可以实现可移植性。某些 RISC 处理器也可通过这种受限的方式支持分段。

图 4 展示了对模型的修改。
图 4. 在 Linux 中，段寄存器指向相同的地址集

段描述符Linux 使用以下段描述符：

内核代码段
内核数据段
用户代码段
用户数据段
TSS 段
默认 LDT 段

下面详细介绍这些段寄存器。
GDT 中的内核代码段 (kernel code segment) 描述符中的值如下：

Base = 0x00000000
Limit = 0xffffffff (2^32 -1) = 4GB
G（粒度标志）= 1，表示段的大小是以页为单位表示的
S = 1，表示普通代码或数据段
Type = 0xa，表示可以读取或执行的代码段
DPL 值 = 0，表示内核模式

与这个段相关的线性地址是 4 GB，S = 1 和 type = 0xa 表示代码段。选择器在 cs 寄存器中。Linux 中用来访问这个段选择器的宏是 _KERNEL_CS。
内核数据段 (kernel data segment) 描述符的值与内核代码段的值类似，惟一不同的就是 Type 字段值为 2。这表示此段为数据段，选择器存储在 ds 寄存器中。Linux 中用来访问这个段选择器的宏是 _KERNEL_DS。
用户代码段 (user code segment) 由处于用户模式中的所有进程共享。存储在 GDT 中的对应段描述符的值如下：

Base = 0x00000000
Limit = 0xffffffff
G = 1
S = 1
Type = 0xa，表示可以读取和执行的代码段
DPL = 3，表示用户模式

在 Linux 中，我们可以通过 _USER_CS 宏来访问此段选择器。
在 用户数据段 (user data segment) 描述符中，惟一不同的字段就是 Type，它被设置为 2，表示将此数据段定义为可读取和写入。Linux 中用来访问此段选择器的宏是 _USER_DS。
除了这些段描述符之外，GDT 还包含了另外两个用于每个创建的进程的段描述符 —— TSS 和 LDT 段。
每个 TSS 段 (TSS segment) 描述符都代表一个不同的进程。TSS 中保存了每个 CPU 的硬件上下文信息，它有助于有效地切换上下文。例如，在 U->K 模式的切换中，x86 CPU 就是从 TSS 中获取内核模式堆栈的地址。
每个进程都有自己在 GDT 中存储的对应进程的 TSS 描述符。这些描述符的值如下：

Base = &tss （对应进程描述符的 TSS 字段的地址；例如 &tss_struct）这是在 Linux 内核的 schedule.h 文件中定义的
Limit = 0xeb （TSS 段的大小是 236 字节）
Type = 9 或 11
DPL = 0。用户模式不能访问 TSS。G 标志被清除

所有进程共享默认 LDT 段。默认情况下，其中会包含一个空的段描述符。这个默认 LDT 段描述符存储在 GDT 中。Linux 所生成的 LDT 的大小是 24 个字节。默认有 3 个条目：

1
2
3

LDT[0] = 空
LDT[1] = 用户代码段
LDT[2] = 用户数据/堆栈段描述符

计算任务要计算 GDT 中最多可以存储多少条目，必须先理解 NR_TASKS（这个变量决定了 Linux 可支持的并发进程数 —— 内核源代码中的默认值是 512，最多允许有 256 个到同一实例的并发连接）。
GDT 中可存储的条目总数可通过以下公式确定：

1 2	GDT 中的条目数 = 12 + 2 * NR_TASKS。正如前所述，GDT 可以保存的条目数 = 2^13 -1 = 8192。

在这 8192 个段描述符中，Linux 要使用 6 个段描述符，另外还有 4 个描述符将用于 APM 特性（高级电源管理特性），在 GDT 中还有 4 个条目保留未用。因此，GDT 中的条目数等于 8192 - 14，也就是 8180。
任何情况下，GDT 中的条目数 8180，因此：
2 * NR_TASKS = 8180
NR_TASKS = 8180/2 = 4090
（为什么使用 2 * NR_TASKS？因为对于所创建的每个进程，都不仅要加载一个 TSS 描述符 —— 用来维护上下文切换的内容，另外还要加载一个 LDT 描述符。）
这种 x86 架构中进程数量的限制是 Linux 2.2 中的一个组件，但自 2.4 版的内核开始，这个问题已经不存在了，部分原因是使用了硬件上下文切换（这不可避免地要使用 TSS），并将其替换为进程切换。
接下来，让我们了解一下分页模型。

欢迎光临电子技术论坛_中国专业的电子工程师学习交流社区-中电网技术论坛 (http://bbs.eccn.com/)