linux虛擬地址怎么映射物理地址
linux虛擬地址怎么映射物理地址這個(gè)問題大家都想知道吧?下面學(xué)習(xí)啦小編就給大家介紹下linux虛擬地址怎么映射物理地址的。
linux虛擬地址怎么映射物理地址
1. 虛擬空間(首先學(xué)習(xí)啦小編必須要給大家介紹下什么是Linux操作系統(tǒng)的虛擬空間)
0-3G 用戶空間 0x00000000 ~ 0xbfffffff
3-4G 內(nèi)核空間 0xc0000000 ~ 0xffffffff
每個(gè)用戶進(jìn)程都有獨(dú)立的用戶空間(虛擬地址0-3),而內(nèi)核空間是唯一的(相當(dāng)于共享)
每個(gè)進(jìn)程的用戶空間用mm_struct描述,即task_struct.mm。
2.進(jìn)程虛擬地址的組織
2.1 虛擬空間、用戶空間
[cpp] view plaincopy
struct mm_struct {
struct vm_area_struct * mmap; /* list of VMAs */
...
pgd_t * pgd; //用于地址映射
atomic_t mm_users; /* How many users with user space? */
atomic_t mm_count; /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */
int map_count; /* number of VMAs */
...
//描述用戶空間的段分布:數(shù)據(jù)段,代碼段,堆棧段
unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
unsigned long start_brk, brk, start_stack;
unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;
unsigned long rss, total_vm, locked_vm;
...
};
以上結(jié)構(gòu)描述了進(jìn)程的用戶空間的結(jié)構(gòu),其中
pgd_t 是該進(jìn)程用戶空間地址映射到物理地址時(shí)使用
vm_area_struct 是進(jìn)程用戶空間已映射到物理空間的虛擬地址區(qū)間,mmap是該空間區(qū)塊組成的鏈表。
虛擬空間的空洞:虛擬空間還未被映射的區(qū)塊(即沒有被使用),那么就沒有vm_area_struct結(jié)構(gòu)
2.2 內(nèi)存區(qū)間
[cpp] view plaincopy
/*
* This struct defines a memory VMM memory area. There is one of these
* per VM-area/task. A VM area is any part of the process virtual memory
* space that has a special rule for the page-fault handlers (ie a shared
* library, the executable area etc).
*/
struct vm_area_struct {
struct mm_struct * vm_mm; /* VM area parameters */
unsigned long vm_start; //虛擬空間起始地址
unsigned long vm_end; //終止地址
/* linked list of VM areas per task, sorted by address */
struct vm_area_struct *vm_next;
//該區(qū)間的權(quán)限及標(biāo)志
pgprot_t vm_page_prot;
unsigned long vm_flags;
//一些vm_area 的鏈接
...
struct vm_operations_struct * vm_ops;
unsigned long vm_pgoff; /* offset in PAGE_SIZE units, *not* PAGE_CACHE_SIZE */
struct file * vm_file; //用于將磁盤文件映射至用戶空間
...
};
虛擬空間區(qū)間的描述中:
vm_start/vm_end 為該區(qū)塊的起始和結(jié)束地址
vm_file 是在文件映射中使用到,即常用的mmap(fd,...)函數(shù),簡單說即將虛擬空間映射至文件在內(nèi)核的緩沖區(qū),那么這時(shí)候訪問該虛擬空間將有別于pgd的映射。
vm_operations_struct 為本虛擬區(qū)間的操作,其中的nopage函數(shù)指針是處理內(nèi)存缺頁而使用的。對于通用的內(nèi)存映射,該缺頁處理函數(shù)為do_no_page()將虛擬地址映射到物理地址(匿名映射):分配物理頁& 設(shè)置pgd & pte。
而對于mmap操作相關(guān)的虛擬地址,其缺頁處理函數(shù)將和文件系統(tǒng)的缺頁函數(shù)相關(guān),filemap_nopage(),通過文件系統(tǒng)的缺頁從磁盤將相關(guān)文件塊加載如內(nèi)核緩沖區(qū).
[cpp] view plaincopy
struct vm_operations_struct {
void (*open)(struct vm_area_struct * area);
void (*close)(struct vm_area_struct * area);
struct page * (*nopage)(struct vm_area_struct * area, unsigned long address, int write_access); //缺頁操作
};
3.系統(tǒng)物理地址的組織
內(nèi)核將物理地址按頁來組織,struct page描述系統(tǒng)的物理頁的信息,但是頁的數(shù)據(jù)內(nèi)容是不在該結(jié)構(gòu)中的。系統(tǒng)有全局?jǐn)?shù)據(jù) struct page mem_map[],用于記錄每個(gè)物理頁。
頁面大小為4kb,在源碼中用體現(xiàn)為(PAGE_SHIFT = 12)
[cpp] view plaincopy
/*
* Try to keep the most commonly accessed fields in single cache lines
* here (16 bytes or greater). This ordering should be particularly
* beneficial on 32-bit processors.
*
* The first line is data used in page cache lookup, the second line
* is used for linear searches (eg. clock algorithm scans).
*/
typedef struct page {
struct list_head list;
struct address_space *mapping;
unsigned long index;
struct page *next_hash;
atomic_t count;
unsigned long flags; /* atomic flags, some possibly updated asynchronously */
struct list_head lru;
unsigned long age;
wait_queue_head_t wait;
struct page **pprev_hash;
struct buffer_head * buffers;
void *virtual; /* non-NULL if kmapped */
struct zone_struct *zone;
} mem_map_t;
struct page是用于描述一個(gè)物理頁面,該結(jié)構(gòu)僅僅是作為描述,也就是說該頁面的4kb數(shù)據(jù)時(shí)存儲(chǔ)于某個(gè)連續(xù)的4kb的物理空間(由MMU決定,具體見下文)。其中:
lru 頁面緩沖的調(diào)度策略(最少使用優(yōu)先)
題外話:
page也可以用于文件緩沖,相關(guān)參數(shù)及作用:
buffer_head 是和設(shè)備文件相關(guān)的操作,例如在文件系統(tǒng)中,file的一個(gè)page有4個(gè)塊,這些塊就存儲(chǔ)于buffer_head鏈表指定的內(nèi)存中。
index 在文件系統(tǒng)中是用于file緩沖的頁號。
3.1 用戶空間頁面目錄(映射關(guān)系)
進(jìn)程的虛擬空間描述中,pgd是用于頁式存儲(chǔ)的映射使用。當(dāng)內(nèi)核發(fā)生進(jìn)程切換時(shí),將新進(jìn)程的pgd載入CR3寄存器,CPU中的MMU單元依據(jù)CR3寄存器進(jìn)行頁面映射。
pgd,pmd和pte可以看做是數(shù)組,為進(jìn)程的地址空間到物理空間實(shí)現(xiàn)映射。其中虛擬地址的高位地址決定pgd,中間段地址決定pmd,而低位地址決定pte,pte是“page table entry”。
最終定位的pte中存放的即為對應(yīng)物理頁面的指針。[cpp] view plaincopy
typedef struct { unsigned long pte; } pte_t;
typedef struct { unsigned long pmd; } pmd_t;
typedef struct { unsigned long pgd; } pgd_t;
typedef struct { unsigned long pgprot; } pgprot_t; //操作標(biāo)志
3.2用戶空間的映射:
1. 用戶空間的虛擬地址vaddr通過MMU(pgd,pmd,pte)找到對應(yīng)的頁表項(xiàng)x(即為物理地址)
2. 頁表項(xiàng)x的高20位是物理也好,物理頁號index = x >> PAGE_SHIFT, 同理,index后面補(bǔ)上12個(gè)0就是物理頁表的首地址。
3. 通過物理頁號,我們可以再內(nèi)核中找到該物理頁的描述的指針mem_map[index],當(dāng)然這個(gè)指針是虛擬地址,page結(jié)構(gòu)見上文。
3.3內(nèi)核空間虛擬地址的映射:
內(nèi)核空間與物理地址之間有直接的映射關(guān)系,而不需要向用戶空間那樣通過mmu(pgd)。系統(tǒng)空間映射(3G開始)到物理空間0G起始:
例如:
系統(tǒng)內(nèi)核映像載入的虛擬地址為3G+1M的起始地址,那么對應(yīng)的物理地址為1M。
緊接著分配在3G+2M開始分配了8M的虛擬地址(物理地址為2-9M)用于PDG
之后預(yù)留了16M空間用DMA于存儲(chǔ)。
而全局的page結(jié)構(gòu)的mem_page[]數(shù)組是在0xc1000000開始的。
所以內(nèi)核空間虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換為:
[cpp] view plaincopy
PAGE_OFFSET = 3GB
vitr_to_phys(kadd)
return vadd - PAGE_OFFSET
內(nèi)核空間的虛擬地址vaddr是通過如下方式找到它對應(yīng)物理地址的page結(jié)構(gòu):
vitr_to_page(vadd)
index = virt_to_phys(kadd) >> PAGE_SHIFT
return mem_map[index]
4. 相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖
說明:
1. 黑色+紅色 箭頭展示了虛擬地址空間到物理空間的映射關(guān)系
2. 藍(lán)色箭頭涉涉及到文件的映射操作mmap(),相比匿名映射,文件映射多了文件層的磁盤IO。