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Linux内核地址空间划分


通常 32 位 Linux 内核地址空间划分 0~3G 为用户空间，3~4G 为内核空间 。64 位内核地址空间划分是不同的 。


linux内核虚拟地址空间

文章插图


Linux内核高端内存


当内核模块代码或线程访问内存时，代码中的内存地址都为逻辑地址，而对应到真正的物理内存地址，需要地址一对一的映射，如逻辑地址 0xc0000003 对应的物理地址为 0x3，0xc0000004 对应的物理地址为 0x4，… …，逻辑地址与物理地址对应的关系为


物理地址 = 逻辑地址 – 0xC0000000


逻辑地址
物理内存地址
0xc0000000
0x0
0xc0000001
0x1
0xc0000002
0x2
0xc0000003
0x3
…
…
0xe0000000
0x20000000
…
…
0xffffffff
0x40000000


假设按照上述简单的地址映射关系，那么内核逻辑地址空间访问为0xc0000000 ~ 0xffffffff，那么对应的物理内存范围就为0x0 ~ 0x40000000，即只能访问 1G 物理内存 。若机器中安装 8G 物理内存，那么内核就只能访问前 1G 物理内存，后面 7G 物理内存将会无法访问，因为内核的地址空间已经全部映射到物理内存地址范围 0x0 ~ 0x40000000 。即使安装了 8G 物理内存，那么物理地址为 0x40000001 的内存，内核该怎么去访问呢？代码中必须要有内存逻辑地址的，0xc0000000 ~ 0xffffffff 的地址空间已经被用完了，所以无法访问物理地址 0x40000000 以后的内存 。


显然不能将内核地址空间 0xc0000000 ~ 0xfffffff 全部用来简单的地址映射 。


因此，Linux 又把物理页面划分为3 个区：
  • 专供 DMA 使用的 ZONE_DMA 区（小于 16MB）;
  • 常规的 ZONE_NORMAL 区（大于 16MB 小于 896MB）;
  • 内核不能直接映射的区 ZONE_HIGME 区（大于 896MB） 。


以上每个区都用 struct zone_struct 结构来表示 。


ZONE_HIGHMEM 即为高端内存，这就是内存高端内存概念的由来 。


linux内核虚拟地址空间

文章插图


其中把 0~896M 区域为直接映射区，也即是虚拟内存中（3G~3G+896M）区域和物理内存的 0~896M 进行直接映射 。由于虚拟内存中内核空间只有1G，因此还剩下的 128M 虚拟内存区域（3G+896M~4G） 。


那么如内核是如何借助 128MB 高端内存地址空间是如何实现访问可以所有物理内存？


当内核想访问高于 896MB 物理地址内存时，从 0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF 地址空间范围内找一段相应大小空闲的逻辑地址空间，借用一会 。借用这段逻辑地址空间，建立映射到想访问的那段物理内存（即填充内核 PTE 页面表），临时用一会，用完后归还 。这样别人也可以借用这段地址空间访问其他物理内存，实现了使用有限的地址空间，访问所有所有物理内存 。如下图 。


linux内核虚拟地址空间

文章插图


例如内核想访问 2G 开始的一段大小为1MB的物理内存，即物理地址范围为0x80000000 ~ 0x800FFFFF 。访问之前先找到一段 1MB 大小的空闲地址空间，假设找到的空闲地址空间为 0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用这 1MB 的逻辑地址空间映射到物理地址空间 0x80000000 ~ 0x800FFFFF 的内存 。映射关系如下：


逻辑地址
物理内存地址
0xF8700000
0x80000000
0xF8700001
0x80000001
0xF8700002
0x80000002
…
…
0xF87FFFFF

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