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Linux内核地址空间划分$ O2 F2 T% d' ^* x9 \
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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。
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Linux内核高端内存的由来
) Y( \# k$ a! p3 H1 |
+ _0 b$ L: `! D3 W7 E" w4 A当内核模块代码或线程访问内存时，代码中的内存地址都为逻辑地址，而对应到真正的物理内存地址，需要地址一对一的映射，如逻辑地址0xc0000003对应的物理地址为0×3，0xc0000004对应的物理地址为0×4，… …，逻辑地址与物理地址对应的关系为
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5 v4 {% }1 Z+ G3 v( L l6 P物理地址 = 逻辑地址 – 0xC0000000! q( M% D2 H% }/ a; f- {
9 J( S, k% G' x. O6 Y| 逻辑地址 | 物理内存地址 | 0xc0000000 | 0×0 | 0xc0000001 | 0×1 | 0xc0000002 | 0×2 | 0xc0000003 | 0×3 | … | … | 0xe0000000 | 0×20000000 | … | … | 0xffffffff | 0×40000000 ?? |
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( B; J3 n3 k* Q/ S, t& R假设按照上述简单的地址映射关系，那么内核逻辑地址空间访问为0xc0000000 ~ 0xffffffff，那么对应的物理内存范围就为0×0 ~ 0×40000000，即只能访问1G物理内存。若机器中安装8G物理内存，那么内核就只能访问前1G物理内存，后面7G物理内存将会无法访问，因为内核 的地址空间已经全部映射到物理内存地址范围0×0 ~ 0×40000000。即使安装了8G物理内存，那么物理地址为0×40000001的内存，内核该怎么去访问呢？代码中必须要有内存逻辑地址 的，0xc0000000 ~ 0xffffffff的地址空间已经被用完了，所以无法访问物理地址0×40000000以后的内存。
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8 A4 y3 F% e h" P3 P显然不能将内核地址空间0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用来简单的地址映射。因此x86架构中将内核地址空间划分三部分：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和 ZONE_HIGHMEM。ZONE_HIGHMEM即为高端内存，这就是内存高端内存概念的由来。% q; |: w3 g8 [! d$ m
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d6 E r) `4 x! Q5 E$ z; n* }在x86结构中，三种类型的区域如下：
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) G" ?3 c. N4 A- u7 p# b. d2 JZONE_DMA 内存开始的16MB
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, w: m' t. ~0 O( VZONE_NORMAL 16MB~896MB+ y9 M- e8 d/ r' w: V. ~
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ZONE_HIGHMEM 896MB ~ 结束
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Linux内核高端内存的理解6 ^) S1 E6 K6 m- [3 _& L
. U. ?0 o1 Q4 I n! ]8 [前面我们解释了高端内存的由来。 Linux将内核地址空间划分为三部分ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM，高端内存HIGH_MEM地址空间范围为 0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF（896MB～1024MB）。那么如内核是如何借助128MB高端内存地址空间是如何实现访问可以所有物理内存？
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( A" M1 ]# g$ z% F- v当内核想访问高于896MB物理地址内存时，从0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF地址空间范围内找一段相应大小空闲的逻辑地址空间，借用一会。借用这段逻辑地址空间，建立映射到想访问的那段物理内存（即填充内核PTE页面表），临时用一会，用完后归还。这样别人也可以借用这段地址空间访问其他物理内存，实现了使用有限的地址空间，访问所有所有物理内存。如下图。9 f9 W( q& i/ ]3 N' S* ]
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& O- P4 M( X- R; B! O- g& C% z' }: J& x' U% |! f- A0 C5 f- a/ |$ ]
例如内核想访问2G开始的一段大小为1MB的物理内存，即物理地址范围为0×80000000 ~ 0x800FFFFF。访问之前先找到一段1MB大小的空闲地址空间，假设找到的空闲地址空间为0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用这1MB的逻辑地址空间映射到物理地址空间0×80000000 ~ 0x800FFFFF的内存。映射关系如下：. E& C8 m, |, T" P7 Q$ g( ]
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| 逻辑地址 | 物理内存地址 | 0xF8700000 | 0×80000000 | 0xF8700001 | 0×80000001 | 0xF8700002 | 0×80000002 | … | … | 0xF87FFFFF | 0x800FFFFF |
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5 O7 q Q* N6 W当内核访问完0×80000000 ~ 0x800FFFFF物理内存后，就将0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF内核线性空间释放。这样其他进程或代码也可以使用0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF这段地址访问其他物理内存。% A% S* j0 N* F! x' ]
$ |+ B! {: A# d1 l从上面的描述，我们可以知道高端内存的最基本思想：借一段地址空间，建立临时地址映射，用完后释放，达到这段地址空间可以循环使用，访问所有物理内存。. Z: V e! w( D3 E! E7 d
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看到这里，不禁有人会问：万一有内核进程或模块一直占用某段逻辑地址空间不释放，怎么办？若真的出现的这种情况，则内核的高端内存地址空间越来越紧张，若都被占用不释放，则没有建立映射到物理内存都无法访问了。
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Linux内核高端内存的划分
9 o6 K. k2 } P; @# N' \% {8 h3 d内核将高端内存划分为3部分：VMALLOC_START~VMALLOC_END、KMAP_BASE~FIXADDR_START和FIXADDR_START~4G。
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2 @* R2 P# _ V; r对 于高端内存，可以通过 alloc_page() 或者其它函数获得对应的 page，但是要想访问实际物理内存，还得把 page 转为线性地址才行（为什么？想想 MMU 是如何访问物理内存的），也就是说，我们需要为高端内存对应的 page 找一个线性空间，这个过程称为高端内存映射。9 n6 O/ b, \: }5 y6 k% F- I
' N6 T9 s O6 z0 n9 C1 c, T- |对应高端内存的3部分，高端内存映射有三种方式：2 O2 z2 _1 J L& O6 y- l9 X0 h
映射到”内核动态映射空间”（noncontiguous memory allocation）( @* V" b/ |" y( ^
这种方式很简单，因为通过 vmalloc() ，在”内核动态映射空间”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。9 r+ T9 M K: U- c3 |; S5 c5 @
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持久内核映射（permanent kernel mapping）2 u( q6 T& S% J0 F* A* z d) c
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？5 B+ ]8 J e* i5 I
内核专门为此留出一块线性空间，从 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START ，用于映射高端内存。在 2.6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。
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$ R/ W3 @: O/ F: f- J" i3 a1 S- G临时映射（temporary kernel mapping）& K; t; l# O0 \
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。/ d" s) p* I% p7 ?& Y8 j
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这块空间具有如下特点：
) I- a# j# s: v$ m1 X$ B（1）每个 CPU 占用一块空间5 }& @9 c5 E: [( {( H) e- L
（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。! z: d3 O- u2 C4 `
! }6 L- c, v" ~/ R- i2 p, k' a2 h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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发表于 2020-4-17 09:25
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