Linux内核学习（3）-内存管理

1.分页机制

• 虚拟内存通过CPU的硬件单元映射到物理内存中，物理内存也以页为单位进行管理，称为物理页面(Physical Page)或者页帧(Page Frame)。
• 进程虚拟地址空间的页称为虚拟页(Virtual Page)
• 操作系统为了管理这些页帧需要按照物理地址顺序给每个页帧编号，称为页帧号（Page Frame Numeber，PFN）
• CPU内部负责虚拟页面到物理页面转换的硬件单元称为内存管理单元(Memory Management Unit,MMU)
• ARM处理器的MMU包括TLB和Table Walk Unit，TLB是一块高速缓存，缓存页表转换的结果，减少内存访问时间
• 一个完整的页表翻译和查找的过程叫做页表查询(Translation Table Walk)

2.虚拟地址到物理地址的转换

当TLB未命中时，处理器按上图流程查询页表

• 处理器根据页表基地址控制寄存器TTBCR和虚拟地址判断使用哪个页表基地址寄存器TTBRx
• 页表基地址寄存器中存放着一级页表的基地址
• 处理器根据虚拟地址的bit[31:20]作为索引，在以及页表中找到页表项
• 一级页表的表项中存放着二级页表的物理基地址，虚拟地址的bit[19:12]作为索引在二级页表中找到相应的页表项。
• 二级页表项里存放着4KB物理基地址。

3.内存布局图

• Linux内核包括内核模式和用户模式
• ARM处理器的user模式共用户进程使用，supervisor模式供内核使用；
• Linux内核通常把0~3G给用户空间， 3GB ~ 4GB给内核空间
• Linux32位的典型内存空间布局图如下

• 内核空间从3GB（0xC000000）开始，
• lowmem（0xC000000 - 0xef800000）是线性映射区，大小为760Mb
• 线性映射区即，物理内存线性的映射到内核空间中
• 物理地址[0:760MB]被线性映射到[3GB:3GB+760MB]的虚拟地址上
• 线性映射区虚拟地址和物理地址相差PAGE_OFFSET，3GB
• 内核空间被分为两大区域，低端区域用于线性映射区，高端区域用于vmalloc区域及其他映射区

4.从进程角度看内存管理

• ELF(Executable and Linkable Format)是linux上流行的可执行文件格式
• 用来定义不同类型的对象文件中存放了什么东西，以及什么格式去存放
• 结构如下图所示
  
• 常见的几个段（Section)：
  1. 代码段（.text):存放源代码被编译后的机器指令；
  2. 数据段（.data）:存放已经初始化的全局变量和已经初始化的局部静态变量；
  3. bss段（.bss）：存放为初始化的全局变量和未初始化的局部静态变量；
• 可以通过如下指令编译成elf文件

$ arm-linux-gnueabi-gcc -static test.c -o test.elf

• 可以使用readelf工具来查看elf包含哪些段（section）

$ arm-linux-gnueabi-readelf -S test.elf

• 程序在编译时尽量把相同权限属性的段分配在同一个空间里，叫做分段（Segment)
• 描述这些Segment的结构叫做程序头(Program Header)，描述了ELF文件是如何映射到进程地址空间的

arm-linux-gnueabi-readelf -l test.elf

• 可以看到上面的31个section被分为了7个segment，并表明了映射关系
• 可以通过proc文件系统动态窥探linux内核运行情况