linux arm的存储分布那些事之一

转自：http://blog.csdn.net/xiaojsj111/article/details/11724081

 

linux arm 内存分布总览

 

上图是linux的arm的虚拟地址分布总览，我们按从低地址到高地址的顺序逐个描述，每项的描述包括如下的内容的组和：

地址范围大小，虚拟转物理的接口函数，各个区域对应的分配函数，该区域有什么作用，使用场合等等。

 

首先开始第一个区域：CPUvector page null pointer trap

该区域的大小是一个page页的大小，对于那些不支持中断向量重映射的cpu，该区域用来存储对应的中断向量表；

对于那些支持中断向量重映射的cpu，该区域用来扑获0地址的非法访问，即null指针。针对arm体系，他是支持中断向量重映射，该区域一般保留不用，用来扑获null指针。

 

第二个区域：应用程序地址空间

地址大小范围属于[0x1000, 0xbf000000],我知道每个应用进程都有如下几个段：text段即存储代码段，data段即存储初始化的数据段，bss段即存储未初始化的数据段，堆（malloc，free），栈（往下生长）。他们的地址分布如下：

 

图1

 

 

在应用程序加载到内存后，会为每个段，分一个vma的内核结构体，并且为每个段都分配了虚拟地址（虚拟地址和大小都存储在vma结构体中），当可执行程序的各个段在加载的时候，就会给其分配虚拟地址，每个段对应内核的一个vma结构，程序所有段对应的vma，都挂在程序对应的进程的struct mm结构中，但并未给他分配实际的物理地址，待cpu实际去访问它时，才会去实际建立物理到vma指定的虚拟地址映射，并且将对应的段内容从elf文件中拷贝到相应的物理内存中。

譬如当cpu要访问text段时，这个时候并未建立相应的映射表，所以会产生page fault异常，从而在异常处理中，linux的内存管理系统会为其分配物理内存， 并从二进制可执行程序的elf文件读取text段到物理内存，并且为该进程对应的页表建立该物理页到虚拟地址的映射，这样cpu就可以访问该进程的text段，并且执行对应的指令了。

stack跟heap都一样，在cpu有实际的访问时，才会分配物理内存，并建立物理到对应的虚拟地址（在程序加载时，vma中就已经分配了虚拟地址）映射。这样做，就可以节省程序运行时实际物理内存的使用。而不是程序一开始就建立了所有物理到虚拟的映射，从而导致物理内存被大量不必要的消耗。

 

第三个区域：模块地址

   该区域用来为内核模块分配地址，譬如在insmod一个驱动模块时，会通过如下的流程：sysinit_module-->load_module-->layout_and_allocate-->move_module-->module_alloc_update_bounds-->module_alloc来为模块的各个段分配虚拟地址

图2

 

line42可见：就指定了模块的虚拟地址范围为：[MODULES_VADDR，MODULES_END] = [0xbf000000，0xbfe00000]，总计14MB。注意此时__vmalloc_node_range进行了实际的物理内存分配，并且建立了物理到虚拟地址的映射。

 

第四个区域：PKMAP地址段

该区域跟fixmap区域都是用来将高端物理内存页映射到内核的线性地址范围，以使内核能够访问他。但为什么还要分两个区域呢？他们有什么异同？

kmap和fixmap驱动的地址范围都是有限的，所以不能长久持有，最好使用完后，就尽快的释放。

其中kmap区域的API函数为：kmap/kunmap，该函数可以休眠，在地址资源紧张的时候就会发生休眠。

fixmap区域的api函数为：kmap_atomic/__kunmap_atomic，该函数为每个cpu都保留一个地址槽，并且该函数是原子的，不会休眠。使用kmap_atomic影射高端物理内存页，处理完后（并且该处理不应该休眠，同时kmap_atomic还会禁止抢占），就应该尽快调用__kunmap_atomic进行释放。所以该函数可以在中断上下文中使用

kmap地址段的开始虚拟地址和大小在trunk/arch/arm/mm/mmu.c中的kmap_init函数就指定了。

关于kmap的详细分析，见我的另一篇blog文章。    

 

第五个区域：内核地址空间的直接映射区，即linux内核的低端内存区

       该区域也称为内核逻辑地址空间  是指从PAGE_OFFSET(3G)到high_memory之间的线性地址空间，是系统物理内存映射区，它映射了全部或部分（如果系统包含高端内存）物理内存。内核逻辑地址空间与系统RAM内存物理地址空间是一一对应的，内核逻辑地址空间中的地址与RAM内存物理地址空间中对应的地址只差一个固定偏移量（3G），如果RAM内存物理地址空间从0x00000000地址编址，那么这个偏移量就是PAGE_OFFSET(0xc0000000)。

   系统初始化过程中将低端内存永久映射到了内核逻辑地址空间，为低端内存建立了虚拟映射页表。低端内存内物理内存的物理地址与线性地址之间的转换可以通过__pa(x)和__va(x)两个宏来进行:

#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET) __pa(x)将内核逻辑地址空间的地址x转换成对应的物理地址，相当于__virt_to_phys((unsigned long)(x))，

__va(x)则相反，把低端物理内存空间的地址转换成对应的内核逻辑地址，相当于((void *)__phys_to_virt((unsigned long)(x)))

该区域的内存分配函数：kmalloc/kfree和__get_free_page都是从低端内存来分配内存

 

   第六个区域：高端内存vmalloc区

该区域是属于linux内核的高端内存地址，该区域分配的虚拟地址是连续的，但对应的物理地址则可能是不连续的。该区域的内存分配api函数为：vmalloc/vfree, 该区域的api可以用来分配大片内存，但对应的物理内存可能是不连续的。该函数会修改页目录映射表，因为要为对应的虚拟地址和物理地址建立映射关系。

另外vmalloc区域跟高端内核（high_memory）有一个8MB的保留区域。端内存的物理地址与线性地址之间的转换不能使用上面的__pa(x)和__va(x)宏，关于该区域linux内核的文档：arm/memmory.txt有如下的描述：

vmalloc() / ioremap() space.

Memory returned by vmalloc/ioremap will

be dynamically placed in this region.

Machine specific static mappings are also

located here through iotable_init().

VMALLOC_START is based upon the value

of the high_memory variable, and VMALLOC_END

is equal to 0xff000000.

第七个区域：DMA内存映射区

该区域是为DMA分配内存的，该段区域的开始地址和大小在

trunk/arch/arm/mm/dma-mapping.c中已经指定了。

分别由consistent_base，DEFAULT_CONSISTENT_DMA_SIZE，

CONSISTENT_END指定该区域的开始地址，大小，结束地址。

该区域的内存分配api函数为：dma_alloc_coherent/dma_free_coherent，

该分配函数会建立映射表，并且分配出来的物理地址是连续的。

dma_alloc_coherent的核心函数为：__dma_alloc。具体详细的流程，

请见我的另外一篇blog。在调用这个api进行dma内存分配时，

虚拟地址是从CONSISTENT_END高地址往consistent_base低地址方向分配的，

即第一次dma_alloc_coherent调用的返回值>第二次dma_alloc_coherent

调用的返回值。请看图3一个实际的系统dma分配的内存情况

 

另外dma分配函数分配的物理页是属于低端内存，

但他会通过__dma_alloc_remap函数，将该物理页

重新映射到dma所属的地址范围。所以同一个物理

页存在两个虚拟地址映射，因为该物理页对应的低

端内存地址在内核初始化的时候，就已经映射建立好了。

第八个区域：Fixmap映射区

  该区域的开始地址和大小在trunk/arch/arm/include/asm/fixmap.h文件中指定了，

该区域的地址范围：[0xfff00000,0xfffe0000],该区域是属于最顶部的pte页表中

（set_top_pte），他为系统中的每个cpu都保留了16个page页的虚拟地址。

该区域有两个特殊函数：

fix_to_virt/virt_to_fix 

#define __virt_to_fix(x)(((x)
- FIXADDR_START) >> PAGE_SHIFT)

表示虚拟地址相对FIXADDR_START偏移的页框数，该返回值应该属于

[0，15]之间。

第九个区域：CPUvector page

该区域是用来映射cpu的中断向量表，因为linux arm使用的高端向量，即cpu中断产生时，pc指针会自动跳转到0xffff0000+4*vector_num的地方。

图4

line1107分配一个低端的物理内存页框，line1109 early_trap_init将中断向量表的内容拷贝到这个新分配的物理页框中。

图5

 

line1149-1153：将line1107行分配的物理页映射到虚拟地址0xffff0000，为cpu中断产生时，做好准备（对应的地址有各自的跳转代码，来处理各自的中断异常）。在这里这个物理页同样是存在两个虚拟地址的映射，一个是低端虚拟地址的影射，一个是高端虚拟地址的映射

 

最后附一个我们实际使用中的contexA9双核，ram为1GB大小的系统的linux内存分布情况图：

 

图6

 

可以结合图1和图6一起分析来加深对linux的内存分布情况的理解，至于图1是怎么来的，就需要看上面每个段的具体分析。