通俗易懂！高手带你理解嵌入式Linux中高端内存与低端内存

xyd2017

通俗易懂！高手带你理解嵌入式Linux中高端内存与低端内存

高端内存是Linux中一个重要的概念，初涉Linux时曾经对这个概念非常迷惑。实际上这个概念比较简单，理解这个概念，需要追溯一下Linux的内存管理。

从前，CPU的地址总线只有32位，再早的就不再追溯了。32的地址总线无论是从逻辑上还是从物理上都只能描述4G的地址空间，在物理上理论上最多拥有4G内存（除了IO地址空间，实际内存容量小于4G），逻辑空间也只能描述4G的线性地址空间。为了合理的利用4G空间，Linux采用了3：1的策略，即内核占用1G的线性地址空间，用户占用3G的线性地址空间。所以用户进程的地址范围从0~3G，内核地址范围从3G~4G，也就是说，内核空间只能管理1G的内存。

对于如此紧张的线性地址资源，内核空间与用户空间的肆意瓜分，导致了内存管理上的问题：当物理内存大于1G时，内核线性地址空间小于实际的物理内存容量，内核如何实现对大于1G内存的管理呢？说到这里，需要提一下内核空间对内存的管理方法。一方面为了提高内核空间对内存的管理效率；另一方面，为了简化内核空间对内存的管理方法，内核采用线性映射的方法实现对内存的管理，从Linux实现的方法来看，物理地址与内核的虚拟地址只差一个偏移量。所以，当物理内存大于1G时，物理内存无法全部映射到内核线性地址空间，这就产生了上述问题。

从上述描述可以看出，地址空间大于1G的内存区域称之为高端内存，同理，小于1G的内存区域称之为低端内存。高端内存的管理需要进行非线性映射，为此，在内核线性地址空间预留了128M的空间，位于线性地址空间的高端。如今，CPU的地址总线都扩大到64位了，线性地址资源非常丰富，所以，可以给内核空间预留足够的线性地址资源，在最近一段时间内，内核线性地址资源与物理内存容量之间的矛盾将不再突出，高端内存的概念也就在64位CPU上消失了。

原先一直都对Linux高端内存的管理认识模模糊糊的，可能主要是初次接触linux kernel 是0.11版吧，当初的内存设计是16M，Linus对拥有32M的内存都是觊觎万分，1G内存恐怕是天方夜谭了。16M内存哪里还顾得上高端内存，脑子就一直没有这种概念。先我们还是来看看为什么要有高端内存？

80386的线性寻址空间是4G，内核空间从3G开始,如果全部采用"线性映射"(物理地址和逻辑地址只差一个常量 PAGE_OFFSET ),最多管理1G物理内存，也就是1G的物理内存挨着挨着对应的是虚拟地址的3G到4G的位置。你想想如果多于1G的内存，我们用什么线性地址来装下这些多出的地址呢？ 我朋友的机器有2G,据说玩游戏巨爽(AMD64300+).显然如果线性映射我的朋友就会浪费1G内存.为了使内核能够访问这些"高端内存",内核使用HighMem.做法是不将内核1G的虚拟地址空间全部映射成物理内存,而是预留一部分给高端内存做临时映射使用.

其实内核不仅仅预留了highmem的地址空间,还给fixmap,vmalloc预留了虚存空间.实际上,系统初始化的时候预留128M虚存,896M用于"直接"映射物理内存。下面我们先贴上一幅图，摘自《understand linux kernel 》



毕竟意淫是很考大家的空间想象能力的，所以我们还是依照图片来看图说话:

高端内存映射有三种方式：

1、映射到“内核动态映射空间”
这种方式很简单，因为通过 vmalloc() ，在"内核动态映射空间"(上图的VMALLOC_START到VMALLOC_END)申请内存的时候，就可能从高端内存获得页面（参看 vmalloc 的实现），因此说高端内存有可能映射到"内核动态映射空间" 中。

2、永久内核映射
如果是通过 alloc_page() 获得了高端内存对应的 page，如何给它找个线性空间？
内核专门为此留出一块线性空间，从 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START (上图的倒数第二块区域)，用于映射高端内存。在 2.4 内核上，这个地址范围是 4G-8M 到 4G-4M 之间。这个空间起叫“内核永久映射空间”或者“永久内核映射空间”。

这个空间和其它空间使用同样的页目录表，对于内核来说，就是 swapper_pg_dir，对普通进程来说，通过 CR3 寄存器指向。

通常情况下，这个空间是 4M 大小，因此仅仅需要一个页表即可，内核通过来 pkmap_page_table 寻找这个页表。通过 kmap()， 可以把一个 page 映射到这个空间来。由于这个空间是 4M 大小，最多能同时映射 1024 个 page。因此，对于不使用的的 page，及应该时从这个空间释放掉（也就是解除映射关系），通过 kunmap() ，可以把一个 page 对应的线性地址从这个空间释放出来。

3、临时映射
内核在 FIXADDR_START 到 FIXADDR_TOP 之间保留了一些线性空间用于特殊需求。这个空间称为“固定映射空间”
在这个空间中，有一部分用于高端内存的临时映射。

这块空间具有如下特点：
1、每个 CPU 占用一块空间
2、在每个 CPU 占用的那块空间中，又分为多个小空间，每个小空间大小是 1 个 page，每个小空间用于一个目的，这些目的定义在 kmap_types.h 中的 km_type 中。

当要进行一次临时映射的时候，需要指定映射的目的，根据映射目的，可以找到对应的小空间，然后把这个空间的地址作为映射地址。这意味着一次临时映射会导致以前的映射被覆盖.通过 kmap_atomic() 可实现临时映射。


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