Linux内核代码笔记2----内存寻址

硬件中的分段

    逻辑地址由一个16位的段选择符（segment selector）和32位的偏移量（offset）组成。偏移量就是段内相对地址。段寄存器就是存放段选择符的，包括cs、ss、ds、es、fs、gs。其中：

    cs（代码段寄存器）：指向程序指令段；

    ss（栈段寄存器）：指向当前程序栈的段；

    ds（数据段寄存器）：指向包含静态数据or全局数据段。

    cs寄存器还有一个字段包含CPU当前特权等级（Current Privilege Level，CPL）。值0为最高优先级，值3为最低优先级。Linux只有0级和3级，分别称为内核态和用户态。

段描述符

    每个段由一个8字节的段描述符（segment descriptor）表示。段描述符放在全局描述符表（Global Descriptor Table，GDT）或局部描述符表（Local Descriptor Table，LDT）中。

    GDT在主存中的地址和大小存放在gdtr控制寄存器中，当前正在使用的LDT地址和大小放在ldtr控制寄存器中。

Linux中的分段

    Linux对分段支持很有限，2.6kernel中只有8086结构下才使用分段，其余使用分页方式。

    运行在用户态的Linux进程用两个相同的段对指令和数据进行寻址，这两个段就是用户代码段和用户数据段。在内核中同样有内核代码段和内核数据段。

硬件中的分页

    分页单元（paging unit）把线性地址转为物理地址。把所请求的访问类型与线性地址的访问权限相比，如果访问无效，则产生一个缺页异常。线性地址被分为固定长度为单位的组，称为页（page）。分页单元把所有的RAM分成固定长度的页框（page frame），也称为物理页。每一个页框包含一个页。

    把线性地址映射为物理地址的数据结构成为页表（page table）。页表存放在主存中，在启用分页单元前由内核进行初始化。

常规分页

    从80386起，Intel CPU支持4KB的页。

    为了减少每个进程页表所需RAM数量，线性地址转换分为两步：页目录表（page directory）->页表（page table）。（与上面的页表不一个概念）。正在使用的页目录的物理地址存放在控制寄存器cr3中。线性地址内的Directory字段决定页目录中的目录项，目录项指向适当的页表。线性地址的Table字段决定页表中的表项，表项含有页所在页框的物理地址。Offset字段决定页框内的相对位置。Offset是12位，因此每一页容量为4096字节。Directory和table分别是10位，因此寻址范围为：1024×1024×4096=2^32。

    

扩展分页

    从Pentium开始，引入了扩展分页，允许页框的大小由4KB变为4MB，用于把大段连续的线性地址转为物理地址。内核因此可以不用中间页表进行地址转换，节省内存，保留TLB项。

转换后援缓冲器（Translation Lookaside Buffer，TLB，俗称“快表”），是一个高速缓存，用于加快线性地址的转换。

物理地址扩展（Physical Address Extension，PAE），允许内核使用高达64GB的RAM。但是，它针对的是物理地址，并没有扩大用户态程序的线性地址范围。

    

Reference

1、深入理解Linux内核-第3版