３２位Linux系统的虚拟地址映射 <一>

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#linux kernel #虚拟地址映射 #实模式 #保护模式 #段寄存器

本文详细介绍了计算机系统的内存管理机制，包括实模式与保护模式下的地址映射过程、虚拟地址空间的概念、进程间的地址空间切换机制及缺页异常处理等内容。

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在分析地址映射过程前，先描述几个概念：

逻辑地址：在机器语言指令中，说明操作数和指令的地址；每个逻辑地址包含段（Segment）和偏移量（Offset）两部分。

线性地址：也称为虚拟地址，在32位系统中，它是32位的无符号整型，最大可达到4G。

物理地址：就是真正物理内存上的地址

CPU位数：指CPU的ALU的宽度(ALU从寄存器取数据，寄存器从总线取数据)

也是数据总线的条数

寄存器：暂存指令，数据和位址。

CS：代码段寄存器
DS：数据段寄存器
SS：堆栈段寄存器
ES：附加段寄存器

总线包括：

地址总线：内存中定位地址
数据总线：内存中获取数据
控制总线：发０／１信号

物理内存：一般是１６的倍数，范围是：１６～２＾１６，（１６～６４Ｋ）

DS＜＜４　＋　ＩＰ　＝　数据的地址

段基址　　　＝＝》　偏移量／偏移地址／逻辑地址（一个内存段上的偏移量）

一，实模式（实地址模式）

实模式下最大物理内存：２＾２０　＝　１Ｍ，会强制进入实模式１M。

Linux内核ｉｍａｇｅ（镜像）一般会从０ｘ１０００００（１M）地址处开始加载，虚拟地址在０ｘＣ０１００００开始加载。为什么呢？

因为实模式下占用内存是１M，在这１M中包含显卡缓存，软件驱动代码等。

当我们访问一块代码时

CPU从８０３８６开始，增加了寄存器

ＧＤＴＲ（全局的段描述符表寄存器）所有进程所共享的
LDTR （局部的段描述符表寄存器）每个进程所私有的

首先，先从GDTR来看，

在Linux内核，gdt＿table段描述表中有１２项被系统使用，所以剩下８１９２－１２　＝　８１８０留给用户使用。

下边是段寄存器定义，这里是在80386下讨论的。

Linux内核给每一个进程的运行都会分配一个虚拟地址空间4G（2^32）,其中包含3G的用户空间和1G的内核空间。

接下来是段描述表项的定义

CR0 最高PG位， 0 / 1 （PG内存是否开启分页）0开启，1未开启
CR2 保存发生缺页异常的虚拟地址
CR3 保存当前进程页目录的起始地址
CR4 PAE位是否开启物理地址扩展 0 / 1

二，保护模式

1.保护模式下内存分段的地址映射 IP/PC

举个例子，有一个线性地址（虚拟地址）为0x0018ff44，可以先尝试进行转换

在32位下，一般分为10 ，10，12

物理页面的起始地址在页表中以下标存储，低12位为0.因为一个物理页面的大小是4K，物理地址是4K的倍数，所以低12位是0，我们一般表示物理地址省略低12位，类似于下标。如0x00002000，一般写作0x00002。

物理页面在内存中以数组方式管理 （动态数组）

struct page {
	page_flags_t flags;		/*一组标志，也对页框所在的管理区进行编号*/	
	atomic_t _count;		/* Usage count, see below. */
	/** 页框中的页表项数目（没有则为-1）
	 *		-1:		表示没有页表项引用该页框。
	 *		0:		表明页是非共享的。
	 *		>0:		表示而是共享共享的。 */
	atomic_t _mapcount;		/* Count of ptes mapped in mms, to show when page is mapped
					 * & limit reverse map searches.*/
	unsigned long private;		/* Mapping-private opaque data */
	struct address_space *mapping;
	pgoff_t index;			/* Our offset within mapping. */
	struct list_head lru;		
	/**如果进行了内存映射，就是虚拟地址。对存在高端内存的系统来说有意义。*/
	void *virtual;			/* Kernel virtual address  */
};

刚才提到，在CR3寄存器中可以找到当前进程页目录的起始地址。

这里提个问题，页目录和页表是每个进程都有一份还是所有进程共享呢？

每个进程都有自己一份的页目录和页表，有独立的地址空间。如果共享的话，就访问同一个物理页面，是不能的。（如下图，Linux进程的虚拟存储器）

在虚拟地址空间上，地址连续；经映射后，物理地址不一定连续。

2.在Linux源代码中，进程调度函数schedule()函数中,有一个进程切换函数switch_mm()函数，每一个进程有自己的地址空间，所以进程切换会进行切换地址空间。

static inline void switch_mm(struct mm_struct *prev,
			     struct mm_struct *next,
			     struct task_struct *tsk)
{
	int cpu = smp_processor_id();

	if (likely(prev != next)) {
		/* stop flush ipis for the previous mm */
		cpu_clear(cpu, prev->cpu_vm_mask);
#ifdef CONFIG_SMP
		per_cpu(cpu_tlbstate, cpu).state = TLBSTATE_OK;
		per_cpu(cpu_tlbstate, cpu).active_mm = next;
#endif
		cpu_set(cpu, next->cpu_vm_mask);

		/* Re-load page tables */
		load_cr3(next->pgd);  //将下一个要调度进程的页目录地址放在cr3中

		/*
		 * load the LDT, if the LDT is different:
		 */
		if (unlikely(prev->context.ldt != next->context.ldt))
			load_LDT_nolock(&next->context, cpu);
	}

在switch_mm()函数中有一个执行语句

load_cr3(next->pgd);

pgd存放的是当前页目录地址，这里是将页目录地址放在CR3寄存器中。CPU在执行某一个进程时，进行地址映射时默认CR3寄存器放的是当前页目录地址。所以在进程切换时，要将下一个要调度进程的页目录地址放在CR3寄存器中。

在Page Table Entry中，高20位是value（value是物理页面在磁盘swap分区中的位置），最低一位是present，

引起缺页异常的原因如下：

当value==0，present==0时，说明PTE对应的物理页面没有分配过；
当value!=0，present==0时，说明PTE对应的物理页面在交换分区当中；
当value!=0，present!=0时，说明PTE对应的物理页面是一个活动的页面。

3.缺页

缺页：DRAM缓存不命中。

缺页分三种情况：

（1）正常缺页：缺页异常会调用内核中的缺页异常处理程序，该程序会选择一个牺牲页。如果这个牺牲页被修改过，那么就将它交换出去，换入新的页面并更新页表。当缺页处理程序返回时，CPU重新引起缺页的指令，这条指令再次将虚拟地址发送到MMU。MMU就能正常翻译该虚拟地址，而不会再产生缺页中断。

（2）段错误：访问一个不存在的页面。

（3）保护异常：违反许可。例如，写一个只读的页面；进程是否由读写或执行这个区域内页面的权限；

或者是一个运行在用户模式中进程试图从内核虚拟存储器中读取字。

4.虚拟寻址

地址翻译（地址映射）需要CPU硬件和操作系统之间紧密合作。

硬件是MMU（内存管理单元），利用存放在主存中的查询表来动态翻译虚拟地址，该表的内容由OS管理；
软件有进程页目录，页表，CR3寄存器，全局段描述符表；
映射由内核提供。

补充：

交换分区，是指磁盘空间，根据LRU最近最久未使用算法，选择一个页面交换出去，只有脏页才会被交换

脏页，就是被修改过数据的页。在PTE中低12位中，会有一个duty位，标记是否被修改过。没有被修改过的页面不会交换，会被新的页面覆盖。
DRAM缓存（动态随机存储器）：虚拟存储器的缓存，再主存中缓存虚拟页。
SRAM缓存（静态随机存储器）：位于CPU和主存之间的f1,f2,f3高速缓存。 SRAM比DRAM快大约10倍，而DRAM比磁盘快100 000多倍。 DRAM对磁盘的访问时间较长，所以总是使用写回，而不是直写。
虚拟内存：<1>将主存看成是一个存储在磁盘上的地址空间的高速缓存； <2>为每一个进程提供一致的地址空间； <3>保护了每个进程的地址空间不被其他进程破坏。
虚拟地址空间：在一个带虚拟存储器的系统中，CPU从一个由2^n个地址地址空间中生成虚拟地址。

参考资料：《深入理解计算机系统》