Linux内核之内存1: CPU寻址原理和分页管理

落日映苍穹つ 2022-12-01 14:02 229阅读 0赞

# 1 CPU寻址内存，虚拟地址、物理地址 #

**(1)寻址内存：**

CPU访问外设，有两种类型，一个是内存空间，一个是IO空间;

**IO空间**，X86通过in/out指令访问外设，IO空间只存在X86架构，在RISC架构不存在；

**内存空间**，CPU通过指针访问所有内存空间，内存空间分为两类，**普通内存**和**位于内存空间的寄存器**。其他设备的寄存器，比如通过I2C总线访问触摸屏的寄存器，与CPU内存空间无关。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-u8j7mPiY-1598498114961)(media/50a48e80431ef2346c44e9ee7ad0bd92.jpg)\]][img-u8j7mPiY-1598498114961_media_50a48e80431ef2346c44e9ee7ad0bd92.jpg]

**(2) MMU原理**

对于一个支持MMU的CPU，只要开启MMU，CPU跟程序员视角一致，看到的永远是虚拟地址；

在访问内存空间时，CPU发一个虚拟地址(指针)，MMU把虚拟地址映射为物理地址。

其他硬件设备，比如DMA/IVE(硬件模块不带mmu)访问也是物理地址；

**(3)虚拟地址和物理地址：**

比如在两个不同的进程QQ/WECHAT里，可以分别定义一个变量，虚拟地址相同(都为1G)；真正访问的时候，经过MMU映射到实际不同的物理地址。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pNz6GhCf-1598498114965)(media/89a67e50fdd3e5cb6d8f3912d1cfc7ca.jpg)\]][img-pNz6GhCf-1598498114965_media_89a67e50fdd3e5cb6d8f3912d1cfc7ca.jpg]

每个进程都维护自己的页表，相同的虚拟地址可以映射到不同的物理地址；

当CPU访问0x1234560时，先查询页地址0x1234对应的物理地址(比如1M)，560为页内偏移

patch

int *p=1m; //对指针赋值物理地址，是错误的

**(4) 物理地址的本质**

在Linux 内核，物理地址定义为一个无符号64/32位整数；

32处理器虚拟地址最大4G，物理地址不一定32位，可以大于4G；

物理地址位数可以大于虚拟地址位数；

# 2.MMU以及RWX权限、kernel和user模式权限 #

32位处理器，页表有32位，但实际维护页表只用到高20位，低12位用来存放其他信息比如权限

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0tJBEqZx-1598498114966)(media/59422b10736fb696db9d3c5aee37e7d5.jpg)\]][img-0tJBEqZx-1598498114966_media_59422b10736fb696db9d3c5aee37e7d5.jpg]

CPU访问一个地址，不仅要做虚拟/物理地址页表地址查询，还要检查页表权限，出现非法操作时，MMU拦截CPU访问请求，并报page  
fault，CPU收到MMUpage  
fault中断时，报段错误，发信号11，进程默认信号处理方式是挂掉。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2zMl3k0P-1598498114969)(media/442ba2ae3413cf8938acb0ce05ccd754.png)\]][img-2zMl3k0P-1598498114969_media_442ba2ae3413cf8938acb0ce05ccd754.png]

找不到物理地址，或者权限不对，发生段错误；

tips:  
gdb layout src

meltdown漏洞，利用时间旁路攻击原理，从用户空间获取内核空间数据；

# 3.MMU作用总结： #

**(1). 内存隔离**：防止应用程序访问不属于自己的空间，隔离应用对其它应用空间、内核空间的访问。因为它们只能访问自己的虚拟空间，每个进程的虚拟空间都是独立的。  
**(2). 权限管理**：不同地址段拥有不同的访问权限，不能越权访问。  
**(3). 地址映射**：将不连续的物理地址映射为连续的虚拟地址，并可以通过swap机制可以获得比实际内存大得多的使用空间。  
前两者实现数据安全，第三条为程序提供空间便利。

**该部分由网友Aero Learning补充, 感谢。**

再补充两点：  
1.直接使用物理内存，当即将运行的程序内存不足时，需要选择一个进程整体换出，这导致有大量数据的换出与换入，效率低下；即**MMU可以解决内存使用效率问题**；

2.有效解决碎片化问题；

# 3.内存的zone: DMA、Normal和HIGHMEM #

32位Linux内核空间物理地址映射在3G～4G，分三个区域，  
ZONE\_DMA(0～16M):DMA内存分配区；  
ZONE\_NORMAL(16MB～896MB): 普通映射的内存区域；  
ZONE\_HIGHMEM(896MB~):高端内存区域，其中的页不能永久映射到内核地址空间；内核一般不使用，如果要使用，通过kmap做动态映射；

存在高端内存的原因是，当物理内存大于虚拟内存寻址范围(1G)时，需要做**非线性映射**，才能在访问所有物理内存空间范围。32系统一般都划分896M以上物理地址为高端内存。

在目前流行的64位CPU中，由于虚拟寻址位数足够，就不存在高端内存概念了。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-h1kdEpzf-1598498114970)(media/aaec31c0f8b0f0bea017eb64d643ac62.png)\]][img-h1kdEpzf-1598498114970_media_aaec31c0f8b0f0bea017eb64d643ac62.png]

896M以下，开机直接映射好(通过virt\_to\_phys/phys\_to\_virt简单线性映射)，896MB以上动态分配，可以被内核和用户空间访问；

对于64位CPU有足够寻址能力，就不存在869MB问题了，64位处理器，一般没有HGIHMEM ZONE；；

对于一个嵌入式设备，内存太小，也不存在 HIGHMEM区域；

**DMAzone存在的根本原因是DMA硬件有缺陷**，比如一个典型32位系统ISA设备的DMA只有24位寻址能力，也就是只能访问内存的前16M内存，而整个系统的最大物理内存寻址甚至可以大于1G，超过内核的虚拟空间；

DMA没有MMU，所以只能访问连续物理内存；少数最新的DMA具有MMU，也可以访问物理不连续的内存，MMU页表映射即可。

当为一个DMA有缺陷设备申请内存时，传入标记GFP\_DMA，在DMA  
ZONE区域分配内存，如果DMA可以访问所有内存空间，则不用受限于DMA\_ZONE。而其他普通设备，也可以申请DMA\_ZONE.

申请DMA内存，会填入设备访问范围，根据范围确定申请的内存区域；

DMA内存不一定来自于DMA ZONE，DMA ZONE也不一定用于DMA

如果系统所有DMA都没有缺陷，则不存在dma\_zone；

DMA直接访问内存，不会让外设访问速度更快，DMA最大好处是解放CPU资源，速度受限外设总线及访问频率；

# 4.Linux内存管理Buddy算法 #

**Buddy 算法直面物理内存；**

Buddy算法把内存中的所有页面按照2的幂次进行分块管理，分配的时候如果没有相应大小块，就把大的块二分成小块；释放的时候，回收的块跟相邻的空闲伙伴块又能合并成大块；

BUDDY页面的分配和使用情况可以通过proc接口/proc/buddyinfo来查看；

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PuUxPvYs-1598498114972)(media/502f8458f4c31e1c7b431a9d6adee240.png)\]][img-PuUxPvYs-1598498114972_media_502f8458f4c31e1c7b431a9d6adee240.png]

Buddy有个缺陷，会造成许多内存碎片，比如总和还剩余很大，但是没有足够连续的空余内存可用。

早期采用预留分配方法，给予显卡，摄像头等预留内存，即使设备不使用，也会预留。

# 5.连续内存分配器(CMA) #

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-3cmxV2YD-1598498114973)(media/f0cc2935990fe273c049ad91edd5fd08.png)\]][img-3cmxV2YD-1598498114973_media_f0cc2935990fe273c049ad91edd5fd08.png]

分配专门的CMA区域，用于DMA设备的内存申请，比如摄像头，

当摄像头设备不用时，该区域可以用于其他内存分配；

当使用摄像头时，将该区域内的所有已申请内存，拷贝到其他分散的页，并且修改对应页表。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-h9uvWapO-1598498114974)(media/320ba2181f44e51c8278389a14fdcd07.png)\]][img-h9uvWapO-1598498114974_media_320ba2181f44e51c8278389a14fdcd07.png]

这样CMA大块连续内存，就不会被浪费掉，也保持了大块连续内存的访问需求；

把不同的DMA设备，放在不同的CMA，就不会导致内存碎片化；

其他参考文章：

[宋宝华《DMA若干误解的彻底澄清》；][DMA]

内核文档：Doccumentation/devicetree/binding/reserved-memory/reserved-meory.txt

[img-u8j7mPiY-1598498114961_media_50a48e80431ef2346c44e9ee7ad0bd92.jpg]: /images/20221123/a82ac84d51f9447eb528f1bef597ca2a.png
[img-pNz6GhCf-1598498114965_media_89a67e50fdd3e5cb6d8f3912d1cfc7ca.jpg]: /images/20221123/ed41124a54e84d7ab01b7102ce4123f6.png
[img-0tJBEqZx-1598498114966_media_59422b10736fb696db9d3c5aee37e7d5.jpg]: /images/20221123/5c27d2a175e14214a1de2e12b25a6afa.png
[img-2zMl3k0P-1598498114969_media_442ba2ae3413cf8938acb0ce05ccd754.png]: /images/20221123/36be0682d6804c64820249aa8fd94ebc.png
[img-h1kdEpzf-1598498114970_media_aaec31c0f8b0f0bea017eb64d643ac62.png]: /images/20221123/17b97533e7bd405b8a48837542804da1.png
[img-PuUxPvYs-1598498114972_media_502f8458f4c31e1c7b431a9d6adee240.png]: /images/20221123/4563d9aae4eb4a79a3bb164c11e874f0.png
[img-3cmxV2YD-1598498114973_media_f0cc2935990fe273c049ad91edd5fd08.png]: /images/20221123/3fdead8a0b024ad088e3ec66e9128ea4.png
[img-h9uvWapO-1598498114974_media_320ba2181f44e51c8278389a14fdcd07.png]: /images/20221123/6ca31305023742f3bb19283f901e6030.png
[DMA]: https://blog.csdn.net/juS3Ve/article/details/79135998