Linux嵌入式 -- 内核 - 内存管理

1.  逻辑地址 线性地址 物理地址

段式管理： 16位CPU，20根地址总线，可寻址1M内存，但是只有16位的寄存器，64K。

逻辑地址  =  段基地址 + 段内偏移地址

物理地址 PA  = 段寄存的值 * 16  + 逻辑地址

段式管理： 32位CPU，两种模式  实模式 + 保护模式

实模式 和 16位CPU一样，段寄存器的值*16就是段地址

保护模式： 段基地址32位，每个段都有4G容量，段寄存器的值是一个选择器，间接指出一个32位的段地址。

页式管理： 线性地址被分为固定长度的组，称为页(page)，

例如32位的机器，线性地址最大可为4G，如果用4KB为一个页来划分，这样整个线性地址就被划分为2的20次方个页。

1、分页单元中，页目录的地址放在CPU的cr3寄存器中，是进行地址转换的开始点。

2、每一个进程，都有其独立的虚拟地址空间，运行一个进程，首先需要将它的页目录地址放到cr3寄存器中，将其他进程的保存下来。

3、每一个32位的线性地址被划分为三部份：页目录索引(10位)：页表索引(10位)：

依据以下步骤进行地址转换：

1、装入进程的页目录地址（操作系统在调度进程时，把这个地址装入CR3）

2、根据线性地址前十位，在页目录中，找到对应的索引项，页目录中的项是一个页表的地址

3、根据线性地址的中间十位，在页表中找到页的起始地址

4、将页的起始地址与线性地址的最后12位相加，得到物理地址偏移(12位)。

Linux内核的设计并没有全部采用Intel所提供的段机制，仅仅是有限度地使用了分段机制。

所有段的基地址均为0

由此可以得出，每个段的逻辑地址空间范围为0-4GB。因为每个段的基地址为0，因此，逻辑地址与线性地址保持一致（即逻辑地址的偏移量字段的值与线性地址的值总是相同的），在Linux中所提到的逻辑地址和线性地址（虚拟地址），可以认为是一致的。看来，Linux巧妙地把段机制给绕过去了，而完全利用了分页机制。

前面介绍了i386的二级页管理架构，不过有些CPU(Alpha 64位)使用三级，甚至四级架构，Linux  2.6.29内核为每种CPU提供统一的界面，采用 了四级页管理架构，来兼容二级、三级、四级管理架构的CPU。

2. 虚拟内存

Linux操作系统采用虚拟内存管理技术，使得每个进程都有独立的进程地址空间，该空间是大小为3G，用户看到和接触的都是虚拟地址，无法看到实际的物理地址。利用这种虚拟地址不但能起到保护操作系统的作用，而且更重要的是用户程序可使用比实际物理内存更大的地址空间。

Linux将4G的虚拟地址空间划分为两个部分——用户空间与内核空间。用户空间从0到0xbfffffff，内核空间从3G到4G。用户进程通常情况下只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间。例外情况是用户进程通过系统调用访问内核空间。

用户空间对应进程，所以每当进程切换，用户空间就会跟着变化。（虚拟地址相同------->页目录页表不同-------> 内存物理地址不同）

创建进程fork()、程序载入execve()、动态内存分配malloc()等进程相关操作都需要分配内存给进程。这时进程申请和获得的不是物理地址，仅仅是虚拟地址。

实际的物理内存只有当进程真的去访问新获取的虚拟地址时，才会由“请页机制”产生“缺页”异常，从而进入分配实际页框的程序。该异常是虚拟内存机制赖以存在的基本保证——它会告诉内核去为进程分配物理页，并建立对应的页表，这之后虚拟地址才实实在在地映射到了物理地址上。

3. 内存分配

在Linux内核中，通常使用kmalloc来动态分配内存。

kmalloc 原型是:

 #include <linux/slab.h>

void *kmalloc(size_t size,int flags)

参数：size:要分配的内存大小。flags:分配标志, 它控制 kmalloc 的行为。

GFP_ATOMIC 用来在进程上下文之外的代码（包括中断处理）中分配内存，从不睡眠。

GFP_KERNEL 进程上下文中的分配。可能睡眠。（16M-896M）

 __GFP_DMA 这个标志要求分配能够 DMA 的内存区（物理地址在16M以下的页帧 ）

 __GFP_HIGHMEM 这个标志表示分配的内存位于高端内存。（896M以上）

如果模块需要分配大块的内存，那使用面向页的分配技术会更好

get_zeroed_page(unsigned int flags)

返回指向新页面的指针,并将页面清零。

__get_free_page(unsigned int flags)

和get_free_page类似，但不清零页面。

__get_free_pages(unsigned int flags,unsigned intorder)

分配若干个连续的页面，返回指向该内存区域的指针，但也不清零这段内存区域。

当程序用完这些页, 可以使用下列函数之一来释放它们:

void free_page(unsigned long addr)

void free_pages(unsignedlongaddr, unsigned  long order)

**如果释放的和先前分配数目不等的页面，会导致系统错误**

4. 内核空间

内核空间是由内核负责映射，它并不会跟着进程改变，是固定的。物理内存896MB以上的部分称之为高端内存。

直接内存映射区（Direct Memory Region）从3G开始，最大896M的线性地址区间，我们称作直接内存映射区，这是因为该区域的线性地址和物理地址之间存在线性转换关系 线性地址=3G + 物理地址。

动态内存映射区 （Virtual  malloc Region）该区域的地址由内核函数vmalloc来进行分配(上图第三条路)，其特点是线性空间连续，但对应的物理空间不一定连续。vmalloc分配的线性地址所对应的物理页可能处于低端内存，也可能处于高端内存。

永久内存映射区（PKMap Region ）对于896MB以上的高端内存，可使用该区域来访问，访问方法：

1. 使用alloc_page(__GFP_HIGHMEM)分配高端内存页

2. 使用kmap函数将分配到的高端内存映射到该区域。

固定映射区（Fixing MappingRegion）PKMap区上面，有4M的线性空间，被称作固定映射区，它和4G顶端只有4K的隔离带。固定映射区中每个地址项都服务于特定的用途，如ACPI_BASE等。