淺析Linux系統(tǒng)中的內(nèi)存管理

當(dāng)使用Inter 80x86微處理器時(shí)，必須區(qū)分三種地址：

邏輯地址：有段基址和段偏移量組成。

線性地址：32位無(wú)符號(hào)整數(shù)。

物理地址

CPU通過(guò)分段單元將邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址，再通過(guò)分頁(yè)單元將線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址

硬件的分段單元

從80386CPU開(kāi)始，Intel微處理器能執(zhí)行兩種不同的地址轉(zhuǎn)換模式，分別稱為實(shí)模式（為了與早期OS兼容）和保護(hù)模式，這里重點(diǎn)放在保護(hù)模式上。

段寄存器

一個(gè)邏輯地址由兩部分組成，一個(gè)段標(biāo)識(shí)符（16位）和一個(gè)相對(duì)地址的偏移量（32位），段寄存器是用來(lái)存放段選則符的，包括cs,ss,ds,es,fs,gs。

cs：代碼段寄存器，用于存放程序指令的段。

ss：棧段寄存器，指向當(dāng)前存放程序棧的段；什么是程序?？臻g，即主要用來(lái) 存放函數(shù)和數(shù)組等。

ds：數(shù)據(jù)段寄存器，指向存放靜態(tài)數(shù)據(jù)（永久性不變的數(shù)據(jù)）或者外部數(shù)據(jù)的段。

其它三個(gè)寄存器做一般用途，可以用來(lái)訪問(wèn)任意段。

cs寄存器還有一個(gè)兩位域，用來(lái)指明cpu的特權(quán)級(jí)，linux中只有0和3級(jí)，分別為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。

段描述符

占8字節(jié)，段描述符被放在全局描述符表（GDT）或者局部描述符表（LDT）。

系統(tǒng)通常只定義一個(gè)GDT（其地址被存放在GDTR寄存器中），每個(gè)進(jìn)程可以有自己的LDT（其地址被存放在LDTR寄存器中）。

其中，系統(tǒng)段存儲(chǔ)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，任務(wù)狀態(tài)段用于保存處理器寄存器的內(nèi)容。

段選擇符

為了加速邏輯地址到線性地址的轉(zhuǎn)換，Intel處理器提供一種附加的非編程的寄存器（不能被程序員設(shè)置），這樣在訪問(wèn)段寄存器中段選擇符時(shí)，就不能（不需要）訪問(wèn)GDT或LDT了。

段單元

邏輯地址轉(zhuǎn)化為線性地址總覽：

Linux中的段

Linux更喜歡分頁(yè)的方式，當(dāng)所有的進(jìn)程使用相同的段寄存器值時(shí)，內(nèi)存管理變得更簡(jiǎn)單，它們能共享相同的線性地址。而且許多RISC處理器不支持段功能，Linux不好做移植。

硬件的分頁(yè)單元

分頁(yè)單元認(rèn)為所有的RAM被分成固定長(zhǎng)度的頁(yè)框，每一個(gè)頁(yè)框包含一頁(yè)。在Intel處理器中，通過(guò)設(shè)置CR0寄存器的PG標(biāo)志啟動(dòng)分頁(yè)。當(dāng)PG=0時(shí)，線性地址就被解釋成物理地址。

常規(guī)分頁(yè)

從i80386起，Intel處理器的分頁(yè)單元處理4KB的頁(yè)。32位線性地址被分成三個(gè)域：目錄（10），頁(yè)表（10），偏移量（12）。

正在使用的頁(yè)目錄表的物理地址存放在處理器的CR3寄存器中。

這里要說(shuō)明下，在頁(yè)目錄和頁(yè)表表項(xiàng)中由Page Size標(biāo)志為1，頁(yè)目錄項(xiàng)指的是4MB的頁(yè)框。如果Present為0，分頁(yè)單元就把這個(gè)線性地址存放在處理器的CR2寄存器中，并產(chǎn)生14號(hào)缺頁(yè)異常。

擴(kuò)展分頁(yè)

從奔騰處理器開(kāi)始，Intel80x86微處理器引進(jìn)了擴(kuò)展分頁(yè)，它允許頁(yè)框大小為4KB或4MB（頁(yè)目錄10位，偏移量22位）。

之后就是引入cache和TLB（計(jì)算機(jī)組成原理內(nèi)容），就不詳細(xì)說(shuō)了。

Linux的分頁(yè)

Linux采用三級(jí)分頁(yè)，頁(yè)全局目錄（10），頁(yè)中間目錄（10），頁(yè)表（10），偏移量（13）。

保留的頁(yè)框

內(nèi)核代碼和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放在一組保留的頁(yè)框中，這些頁(yè)框所含的頁(yè)從不動(dòng)態(tài)分配或者交換到內(nèi)存中。

作為一條常規(guī)，Linux內(nèi)核被安裝在RAM物理地址0x00100000開(kāi)始的地方，為什么從這個(gè)地方開(kāi)始？

因?yàn)轫?yè)框0由BIOS使用，存放硬件配置。

物理地址0x000a0000到0x000fffff被BIO程序使用同時(shí)映射ISA上的顯存。

前1MB的其它頁(yè)框可能被保留用作特定的計(jì)算機(jī)模式。

為了避免把內(nèi)核裝入一組不連續(xù)的頁(yè)框，Linux更愿跳過(guò)第1MB的RAM。（內(nèi)核小于1MB _text---_etext）

審核編輯：劉清