标题:
探索 Linux 内存模型（4）
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作者:
look_w
时间:
2018-5-18 21:13
标题:
探索 Linux 内存模型（4）
Linux 中的分页模型虽然 Linux 中的分页与普通的分页类似，但是 x86 架构引入了一种三级页表机制，包括：
页全局目录 (Page Global Directory)
，即 pgd，是多级页表的抽象最高层。每一级的页表都处理不同大小的内存 —— 这个全局目录可以处理 4 MB 的区域。每项都指向一个更小目录的低级表，因此 pgd 就是一个页表目录。当代码遍历这个结构时（有些驱动程序就要这样做），就称为是在“遍历”页表。
页中间目录 (Page Middle Directory)
,即 pmd，是页表的中间层。在 x86 架构上，pmd 在硬件中并不存在，但是在内核代码中它是与 pgd 合并在一起的。
页表条目 (Page Table Entry)
，即 pte，是页表的最低层，它直接处理页（参看 PAGE_SIZE），该值包含某页的物理地址，还包含了说明该条目是否有效及相关页是否在物理内存中的位。
为了支持大内存区域，Linux 也采用了这种三级分页机制。在不需要为大内存区域时，即可将 pmd 定义成“1”，返回两级分页机制。
分页级别是在编译时进行优化的，我们可以通过启用或禁用中间目录来启用两级和三级分页（使用相同的代码）。32 位处理器使用的是 pmd 分页，而 64 位处理器使用的是 pgd 分页。
图 7. 三级分页
如您所知，在 64 位处理器中：
21 MSB 保留未用
13 LSB 由页面偏移量表示
其余的 30 位分为：
10 位用于页表
10 位用于页全局目录
10 位用于页中间目录
我们可以从架构中看到，实际上使用了 43 位进行寻址。因此在 64 位处理器中，可以有效使用的内存是 2 的 43 次方。
每个进程都有自己的页目录和页表。为了引用一个包含实际用户数据的页框，操作系统（在 x86 架构上）首先将 pgd 加载到 cr3 寄存器中。Linux 将 cr3 寄存器的内容存储到 TSS 段中。此后只要在 CPU 上执行新进程，就从 TSS 段中将另外一个值加载到 cr3 寄存器中。从而使分页单元引用一组正确的页表。
pgd 表中的每一条目都指向一个页框，其中中包含了一组 pmd 条目；pdm 表中的每个条目又指向一个页框，其中包含一组 pte 条目；pde 表中的每个条目再指向一个页框，其中包含的是用户数据。如果正在查找的页已转出，那么就会在 pte 表中存储一个交换条目，（在缺页的情况下）以定位将哪个页框重新加载到内存中。
图 8 说明我们连续为各级页表添加偏移量来映射对应的页框条目。我们通过进入作为分段单元输出的线性地址，再划分该地址来获得偏移量。要将线性地址划分成对应的每个页表元素，需要在内核中使用不同的宏。本文不详细介绍这些宏，下面我们通过图 8 来简单看一下线性地址的划分方式。
图 8. 具有不同地址长度的线性地址
预留页框Linux 为内核代码和数据结构预留了几个页框。这些页
永远不会
被转出到磁盘上。从 0x0 到 0xc0000000 （PAGE_OFFSET） 的线性地址可由用户代码和内核代码进行引用。从 PAGE_OFFSET 到 0xffffffff 的线性地址只能由内核代码进行访问。
这意味着在 4 GB 的内存空间中，只有 3 GB 可以用于用户应用程序。
如何启用分页Linux 进程使用的分页机制包括两个阶段：
在启动时，系统为 8 MB 的物理内存设置页表。
然后，第二个阶段完成对其余物理地址的映射。
在启动阶段，startup_32() 调用负责对分页机制进行初始化。这是在 arch/i386/kernel/head.S 文件中实现的。这 8 MB 的映射发生在 PAGE_OFFSET 之上的地址中。这种初始化是通过一个静态定义的编译时数组 (swapper_pg_dir) 开始的。在编译时它被放到一个特定的地址（0x00101000）。
这种操作为在代码中静态定义的两个页 —— pg0 和 pg1 —— 建立页表。这些页框的大小默认为 4 KB，除非我们设置了页大小扩展位（有关 PSE 的更多内容，请参阅 一节）。这个全局数组所指向的数据地址存储在 cr3 寄存器中，我认为这是为 Linux 进程设置分页单元的第一阶段。其余的页项是在第二阶段中完成的。
第二阶段由方法调用 paging_init() 来完成。
在 32 位的 x86 架构上，RAM 映射到 PAGE_OFFSET 和由 4GB 上限 (0xFFFFFFFF) 表示的地址之间。这意味着大约有 1 GB 的 RAM 可以在 Linux 启动时进行映射，这种操作是默认进行的。然而，如果有人设置了 HIGHMEM_CONFIG，那么就可以将超过 1 GB 的内存映射到内核上 —— 切记这是一种临时的安排。可以通过调用 kmap() 实现。
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如您所知，在 64 位处理器中：
预留页框Linux 为内核代码和数据结构预留了几个页框。这些页永远不会 被转出到磁盘上。从 0x0 到 0xc0000000 （PAGE_OFFSET） 的线性地址可由用户代码和内核代码进行引用。从 PAGE_OFFSET 到 0xffffffff 的线性地址只能由内核代码进行访问。