内核代码阅读(3) - 内存管理的基本框架

2022-04-27 21:59:29

Linux 内存管理的基本框架

内核中的3层映射

为了同时兼顾32位，64位CPU，内核的映射机制设计成3层。

PGD, PMD, PT(PTE)

内核中3层映射是如何在i386CPU转换成了2层映射？

#if CONFIG_X86_PAE
   # include <asm/pgtable-3level.h>
   #else
   # include <asm/pgtable-2level.h>
   #endif

在i386中直接include了pgtable-2level.h。

架构相关的代码集中在h文件中，然后根据设置的宏进行选择。

另外，

#define PGDIR_SHIFT 22 //PGDIR 从22位到32位

#define PTRS_PER_PGD 1024 //一个PGDIR 的空间是1024个PMD

#define PMD_SHIFT 22 // PMD 也是从22位开始 [PMD, PGDIR) 正好是0个bit位。

#define PTRS_PER_PMD 1

虚拟地址划分

32位的虚拟地址，空间大小是4G。
内核把最高的1G分配给内核使用 [0xCFFFFFFF ,0xFFFFFFFF)
用户空间的虚拟地址[0, 0xBFFFFFFF)

内核空间的地址映射

内核的虚拟地址占据最高的1G，但是物理地址是固定的从0开始。所以，内核的虚拟地址到物理地址的映射很简单减去3G (0xC0000000)
#define __PAGE_OFFSET        (0xC0000000)
#define PAGE_OFFSET        ((unsigned long)__PAGE_OFFSET)
#define __pa(x)            ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
#define __va(x)            ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
可以看到:
    内核虚拟地址到物理的翻译直接减去PAGE_OFFSET  _pa(x)
而反向映射的宏__va(x) 则加上PAGE_OFFSET
同时，PAGE_OFFSET 也代表用户空间的上限（processor.h）。
/*
 * User space process size: 3GB (default).
 */
#define TASK_SIZE    (PAGE_OFFSET)

地址映射的全过程

段式映射

由于i386同时支持段和页，所以地址映射必须走一遍段映射。

linux是如何饶过段式映射的？

1) 创建一个进程的时候给所有进程的段寄存器的赋值一样

#define start_thread(regs, new_eip, new_esp) do {        \
__asm__("movl %0,%%fs ; movl %0,%%gs": :"r" (0));    \
set_fs(USER_DS);                    \
regs->xds = __USER_DS;                    \
regs->xes = __USER_DS;                    \
regs->xss = __USER_DS;                    \
regs->xcs = __USER_CS;                    \
regs->eip = new_eip;                    \
regs->esp = new_esp;                    \
 } while (0)

2) 再看__USER_DS和__USER_CS的定义

#define __KERNEL_CS    0x10
 #define __KERNEL_DS    0x18
 #define __USER_CS    0x23
 #define __USER_DS    0x2B
 这4个值就是段寄存器的值，而他们的TI位都是0,都用GDT表。
 而高13位依次是2,3,4,5. 所以当前进程所用的段描述符都是在全局的段描述符的2,3,4,5项。

3) 再看全局段描述符表的初始化

ENTRY(gdt_table)
.quad 0x0000000000000000    /* NULL descriptor */
.quad 0x0000000000000000    /* not used */
.quad 0x00cf9a000000ffff    /* 0x10 kernel 4GB code at 0x00000000 */
.quad 0x00cf92000000ffff    /* 0x18 kernel 4GB data at 0x00000000 */
.quad 0x00cffa000000ffff    /* 0x23 user   4GB code at 0x00000000 */
.quad 0x00cff2000000ffff    /* 0x2b user   4GB data at 0x00000000 */
  从注释可以看到2,3为kernel的段描述符;4,5为用户进程的段描述符。
  这些描述的base都是0,至此解释了代码中的虚拟地址经过段式映射之后还是自身。

页式映射

CR3里保存当前进程的PGD值。进程切换要初始化CR3寄存器。
asm volatile ("movl %0 %%cr3": : "r"(__pa(next->pgd)))

码农公寓