Linux内存管理(07):fixmap详解

本文深入分析了Linux内核中fixmap机制的作用和分布,探讨了内核启动过程中的内存布局,特别是fixmap在早期内存映射、early_fixmap_init()、early_ioremap_init()和setup_machine_fdt()中的应用。fixmap用于在paging_init()前为特定内核模块提供内存映射,包括dtb、earlycon等。文章还讲解了pgd、pud、pmd的映射过程,并介绍了如何通过fixmap映射dtb。

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源码基于:Linux 5.4

约定:

  • 芯片架构:ARM64
  • 内存架构:UMA
  • CONFIG_ARM64_VA_BITS:39
  • CONFIG_ARM64_PAGE_SHIFT:12
  • CONFIG_PGTABLE_LEVELS :3

0. 前言

内核启动首先会进入汇编阶段,mmu 已经启动 (也就是说,当前SOC只能使用虚拟地址访问RAM),paging_init() 还没有完成调用,在内核启动过程需要访问某些特定的内核模块 (例如 dtb)时,就需要将虚拟地址和物理地址进行映射。这就是 fixmap 机制产生的原因。

fixmap 理解为固定映射

Linux 内存管理是操作系统中至关重要的一部分,它负责高效地分配、管理和回收物理内存和虚拟内存资源。理解 Linux 内存管理的基础概念与工作原理,有助于更好地掌握系统性能优化和进程调度机制。 ### 虚拟内存与物理内存 在 Linux 中,每个进程都有自己的**虚拟地址空间**,这使得进程可以访问比实际物理内存更大的内存范围。虚拟内存通过页表映射到物理内存,这种机制被称为**虚拟内存到物理内存的映射**。虚拟内存的一个重要特性是支持“写时拷贝”(Copy-on-Write),即多个进程共享同一块物理内存页,只有当某个进程尝试修改该页时,才会复制一份新的页供其使用[^1]。 ### 地址空间与页表 Linux 使用**分页机制**来管理内存,将虚拟地址划分为多个固定大小的页(通常是 4KB)。每个进程的虚拟地址空间由一个称为**页表**的数据结构维护,它记录了虚拟页与物理页之间的映射关系。页表由硬件(MMU)自动查找,用于将虚拟地址转换为物理地址。 ### 内存映射类型 Linux 支持两种主要的内存映射方式: - **文件映射(File-backed Mapping)**:将文件内容映射到进程的地址空间,适用于如程序执行、共享库等场景。 - **匿名映射(Anonymous Mapping)**:不与任何文件关联,通常用于进程堆栈、malloc 分配的内存等[^3]。 ### 缺页异常处理 Linux 在内存分配上采用“延迟分配”策略。当进程首次访问某段虚拟内存时,若尚未分配对应的物理页,会触发**缺页异常(Page Fault)**。内核随后响应异常,分配所需的物理页并更新页表,使进程得以继续执行。 ### 物理内存管理 Linux 的物理内存管理依赖于多个核心组件和机制: - **Memblock**:早期启动阶段使用的物理内存分配器,用于初始化内存模型和保留特定区域。 - **Buddy 系统**:用于管理物理内存页的分配与释放,通过合并相邻空闲页减少碎片。 - **Slab 分配器**:专为频繁分配/释放的小对象设计,提高效率并减少内存浪费。 - **Vmalloc 分配器**:用于分配非连续的物理内存页,但在虚拟地址空间上连续,适用于大块内存需求[^4]。 ### 内存管理子系统初始化流程 Linux 启动过程中,内存管理子系统经历了多个阶段的初始化,包括: 1. `start_kernel` 函数调用后进入内存初始化阶段; 2. 初始化固定映射区(fixmap); 3. Memblock 初始化与预留内存配置; 4. CMA(Contiguous Memory Allocator)分配器初始化; 5. 分页机制初始化(paging_init); 6. 区域(zone)初始化; 7. Per-CPU 分配器、备选区域、Buddy 系统、Slab 分配器和 Vmalloc 分配器依次初始化[^4]。 ### GPU 内存管理:TTM 与 GEM 除了通用内存管理外,Linux 还支持专门用于 GPU 的内存管理框架: - **GEM(Graphics Execution Manager)**:提供基本的内存分配与同步机制,适用于现代 GPU。 - **TTM(Translation Table Maps)**:构建在 GEM 之上,支持更复杂的 GPU 内存管理,如显存迁移、缓存一致性控制等[^2]。 ### 示例代码:查看当前系统的内存信息 可以通过 `/proc/meminfo` 查看系统的内存使用情况: ```bash cat /proc/meminfo ``` 输出示例如下: ``` MemTotal: 8192000 kB MemFree: 1048576 kB Buffers: 204800 kB Cached: 3145728 kB ... ``` 这些信息反映了系统的总内存、空闲内存、缓冲区和缓存等关键指标。 ---
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