linux物理地址和虛擬地

1、linux中的物理地址和虛擬地址2010-05-27 09:54:35| 分類：Linux學(xué)習(xí)|標(biāo)簽：|字號(hào)大中小 訂閱在支持MMU的32位處理器平臺(tái)上，Linux系統(tǒng)中的物理存儲(chǔ)空間和虛擬存儲(chǔ)空間的地址范圍分別都是從0x00000000 到0XFFFFFFFF，共4GB，但物理存儲(chǔ)空間與虛擬存儲(chǔ)空間布局完全不同。Linux運(yùn)行在虛擬存儲(chǔ)空間，并負(fù)責(zé)把系統(tǒng)中實(shí)際存在的遠(yuǎn)小于4GB的物理內(nèi)存根據(jù)不同需求映射到整個(gè)4GB的虛擬存儲(chǔ)空間中。物理存儲(chǔ)空間布局Linux的物理存儲(chǔ)空間布局與處理器相關(guān)，詳細(xì)情況可以從處理器用戶手冊(cè)的存儲(chǔ)空間分布表(memorymap )相關(guān)章節(jié)中查到，我們這里只列出嵌入式

2、處理器平臺(tái)Linux物理內(nèi)存空間的一般布局，如圖18-4所示。按肌科齊*_pi 肛0業(yè)JbajftBHBjlsfapj. _ HOdeJbOatuMmjiaFh fit Pt 時(shí)齊按直計(jì)捍一_j)i ncde JootiQ_iaa由-】_ nod Jjcottnonjaisi) )( jn(_ ndjr 按 P(對(duì)芥)+0X6000(_pi(_st*st) *0號(hào)3 的懇輛歿碼脅X員n-1號(hào)no住的很戟?dú)W碼表(X必)M決曲的內(nèi)拉丸耳所占愛憾+OidOOOL_P5WP1KB500)this.width=500;圖18-4 Linux物理內(nèi)存空間一般布局示意圖說(shuō)明：1) 最大 node 號(hào) n 不

3、能大于 MAX_NUMNODES-1 。2) MAX_NUMNODES 表示系統(tǒng)支持的最多 node數(shù)。在ARM系統(tǒng)中，Sharp芯片最多支持16個(gè)nodes， 其他芯片最多支持 4個(gè)nodes。3) numnodes是當(dāng)前系統(tǒng)中實(shí)際的內(nèi)存 node數(shù)。4) 在不支持 CONFIG_DISCONTIGMEM 選項(xiàng)的系統(tǒng)中，只有一個(gè)內(nèi)存node。5) 最大bank號(hào)m不能大于NR_BANKS-1。6) NR_BANKS表示系統(tǒng)中支持的最大內(nèi)存 bank數(shù)，一般等于處理器的 RAM片選數(shù)。在ARM系統(tǒng)中，Sharp芯片最多支持 16個(gè)banks，其他芯片最多支持 8個(gè)banks。7) mem_in

4、it()函數(shù)會(huì)將所有節(jié)點(diǎn)的頁(yè)幀位碼表所占空間、孔洞頁(yè)描述符空間及空閑內(nèi)存頁(yè)都釋放掉。虛擬存儲(chǔ)空間布局在支持MMU的系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)做完硬件初始化后就使能MMU功能，這樣整個(gè)系統(tǒng)就運(yùn)行在虛擬存儲(chǔ)空間中，實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)空間到物理存儲(chǔ)空間映射功能的是處理器的MMU，而虛擬存儲(chǔ)空間與 5路存儲(chǔ)空間的映射關(guān)系則是由Linux內(nèi)核來(lái)管理的。32位系統(tǒng)中物理存儲(chǔ)空間占 4GB空間，虛擬存儲(chǔ)空間同樣占 4GB 空間，Linux把物理空間中實(shí)際存在的遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于4GB的內(nèi)存空間映射到整個(gè) 4GB虛擬存儲(chǔ)空間中除映射I/O空間之外的全部空間，所以虛擬內(nèi)存空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物理內(nèi)存空間，這就說(shuō)同一塊物理內(nèi)存可能映射到多處虛擬內(nèi)存

5、地址空間上，這正是Linux內(nèi)存管理職責(zé)所在。圖18-5列岀了 Linux內(nèi)核中虛擬內(nèi)存空間的一般布局（其實(shí)I/O空間也在其中，通常占用高端內(nèi)存空間，在此未標(biāo)岀）。高端內(nèi)存 國(guó)定映刖琵筒端內(nèi)存Ita.6KB皿皿:麾東分B?切JS 坯址業(yè)隹戦的內(nèi)存仝何VMALLOC_OFFSET C=$MB)OkHTFFPFFFECADDR STARTPKMAP_BASEVMALLCi 好 TftKTTTtTvinryPAGE CUTSET (lOjflCOOOaaOO) CIASKSEEJ()0000)00500)this.width=500;圖18-5 Linux系統(tǒng)虛擬內(nèi)存空間一般布局示意圖說(shuō)明:1) 線

6、性地址空間：是指 Linux系統(tǒng)中從0x00000000 到OxFFFFFFFF整個(gè)4GB虛擬存儲(chǔ)空間。2) 內(nèi)核空間：內(nèi)核空間表示運(yùn)行在處理器最高級(jí)別的超級(jí)用戶模式(supervisor mode )下的代碼或數(shù)據(jù)，內(nèi)核空間占用從0xC0000000到0xFFFFFFFF的1GB線性地址空間，內(nèi)核線性地址空間由所有進(jìn)程共享，但只有運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程才能訪問(wèn)，用戶進(jìn)程可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用切換到內(nèi)核態(tài)訪問(wèn)內(nèi)核空間，進(jìn)程運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的地址都屬于內(nèi)核空間。3) 用戶空間：用戶空間占用從 0x00000000到0xBFFFFFFF共3GB的線性地址空間，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè) 獨(dú)立的3GB用戶空間，所以

7、用戶空間由每個(gè)進(jìn)程獨(dú)有，但是內(nèi)核線程沒有用戶空間，因?yàn)樗划a(chǎn)生用戶空 間地址。另外子進(jìn)程共享(繼承)父進(jìn)程的用戶空間只是使用與父進(jìn)程相同的用戶線性地址到物理內(nèi)存地 址的映射關(guān)系，而不是共享父進(jìn)程用戶空間。運(yùn)行在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的進(jìn)程都可以訪問(wèn)用戶空間。4) 內(nèi)核邏輯地址空間：是指從 PAGE_OFFSET到high_memory 之間的線性地址空間，是系統(tǒng)物理內(nèi)存映射區(qū)，它映射了全部或部分(如果系統(tǒng)包含高端內(nèi)存)物理內(nèi)存。內(nèi)核邏輯地址空間與圖18-4中的系統(tǒng)RAM內(nèi)存物理地址空間是對(duì)應(yīng)的(包括內(nèi)存孔洞也是對(duì)應(yīng)的)，內(nèi)核邏輯地址空間中的地址與RAM內(nèi)存物理地址空間中對(duì)應(yīng)的地址只差一個(gè)固定偏移量，如

8、果RAM內(nèi)存物理地址空間從 0x00000000地址編址，那么這個(gè)偏移量就是PAGE_OFFSET。5) 低端內(nèi)存：內(nèi)核邏輯地址空間所映射物理內(nèi)存就是低端內(nèi)存，低端內(nèi)存在Linux線性地址空間中始終有 永久的一一對(duì)應(yīng)的內(nèi)核邏輯地址，系統(tǒng)初始化過(guò)程中將低端內(nèi)存永久映射到了內(nèi)核邏輯地址空間，為低端內(nèi)存建立了虛擬映射頁(yè)表。低端內(nèi)存內(nèi)物理內(nèi)存的物理地址與線性地址之間的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)_pa(x)和_va(x)兩個(gè)宏來(lái)進(jìn)行，_pa(x)將內(nèi)核邏輯地址空間的地址x轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的物理地址，相當(dāng)于_virt_to_phys(unsigned long)(x)，_va(x)則相反，把低端物理內(nèi)存空間的地址轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的

9、內(nèi)核邏輯地址，相當(dāng)于(void *)_phys_to_virt(unsigned long)(x)。6) 高端內(nèi)存：低端內(nèi)存地址之上的物理內(nèi)存是高端內(nèi)存，高端內(nèi)存在Linux線性地址空間中沒有沒有固定的一一對(duì)應(yīng)的內(nèi)核邏輯地址，系統(tǒng)初始化過(guò)程中不會(huì)為這些內(nèi)存建立映射頁(yè)表將其固定映射到Linux線性地址空間，而是需要使用高端內(nèi)存的時(shí)候才為分配的高端物理內(nèi)存建立映射頁(yè)表，使其能夠被內(nèi)核使用，否則不能被使用。高端內(nèi)存的物理地址于現(xiàn)行地址之間的轉(zhuǎn)換不能使用上面的_pa(x)和_va(x)宏。7) 高端內(nèi)存概念的由來(lái)：如上所述，Linux將4GB的線性地址空間劃分成兩部分，從0x00000000至U0xB

10、FFFFFFF共3GB空間作為用戶空間由用戶進(jìn)程獨(dú)占，這部分線性地址空間并沒有固定映射到物理內(nèi)存空間上；從0xC0000000到0xFFFFFFFF的第4GB線性地址空間作為內(nèi)核空間，在嵌入式系統(tǒng)中，這 部分線性地址空間除了映射物理內(nèi)存空間之外還要映射處理器內(nèi)部外設(shè)寄存器空間等I/O空間。0xC0000000high_memory之間的內(nèi)核邏輯地址空間專用來(lái)固定映射系統(tǒng)中的物理內(nèi)存，也就是說(shuō)0xC0000000high_memory之間空間大小與系統(tǒng)的物理內(nèi)存空間大小是相同的(當(dāng)然在配置了CONFIG_DISCONTIGMEMD選項(xiàng)的非連續(xù)內(nèi)存系統(tǒng)中，內(nèi)核邏輯地址空間和物理內(nèi)存空間一樣可能存在

11、內(nèi)存孔洞)，如果系統(tǒng)中的物理內(nèi)存容量遠(yuǎn)小于1GB，那么內(nèi)核現(xiàn)行地址空間中內(nèi)核邏輯地址空間之上的high_memory0xFFFFFFFF 之間還有足夠的空間來(lái)固定映射一些I/O空間。可是，如果系統(tǒng)中的物理內(nèi)存容量(包括內(nèi)存孔洞)大于1GB，那么就沒有足夠的內(nèi)核線性地址空間來(lái)固定映射系統(tǒng)全部物理內(nèi)存以及一些I/O空間了，為了解決這個(gè)問(wèn)題，在X86處理器平臺(tái)設(shè)置了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值：896MB，就是說(shuō)，如果系 統(tǒng)中的物理內(nèi)存（包括內(nèi)存孔洞）大于 896MB，那么將前896MB物理內(nèi)存固定映射到內(nèi)核邏輯地址空間 OxCOOOOOOO0xC0000000+896MB （ =high_memory ）上，而89

12、6MB之后的物理內(nèi)存則不建立到內(nèi)核線 性地址空間的固定映射，這部分內(nèi)存就叫高端物理內(nèi)存。此時(shí)內(nèi)核線性地址空間high_memoryOxFFFFFFFF 之間的128MB空間就稱為高端內(nèi)存線性地址空間，用來(lái)映射高端物理內(nèi)存和I/O空間。896MB是x86處理器平臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)值，留了128MB線性地址空間來(lái)映射高端內(nèi)存以及I/O地址空間，我們?cè)谇度胧较到y(tǒng)中可以根據(jù)具體情況修改這個(gè)閾值，比如，MIPS中將這個(gè)值設(shè)置為 0X20000000B（512MB ），那么只有當(dāng)系統(tǒng)中的物理內(nèi)存空間容量大于0X20000000B 時(shí)，內(nèi)核才需要配置CONFIG_HIGHMEM 選項(xiàng)，使能內(nèi)核對(duì)高端內(nèi)存的分配和映射功

13、能。什么情況需要?jiǎng)澐殖龈叨宋锢韮?nèi)存以 及高端物理內(nèi)存閾值的設(shè)置原則見上面的內(nèi)存頁(yè)區(qū)（zone ）概念說(shuō)明。8 ）高端線性地址空間：從 high_memory到OxFFFFFFFF之間的線性地址空間屬于高端線性地址空間，其 中VMALLOC_STARTVMALLOC_END之間線性地址被vmalloc（）函數(shù)用來(lái)分配物理上不連續(xù)但線性地址空間連續(xù)的高端物理內(nèi)存，或者被vmap（）函數(shù)用來(lái)映射高端或低端物理內(nèi)存，或者由ioremap（）函數(shù)來(lái)重新映射I/O物理空間。PKMAP_BASE 開始的LAST_PKMAP （一般等于1024 ）頁(yè)線性地址空間被 kmap（） 函數(shù)用來(lái)永久映射高端物理內(nèi)存。

14、FIXADDR_START開始的KM_TYPE_NR*NR_CPUS頁(yè)線性地址空間被kmap_atomic（）函數(shù)用來(lái)臨時(shí)映射高端物理內(nèi)存，其他未用高端線性地址空間可以用來(lái)在系統(tǒng)初始化期 間永久映射I/O地址空間。Linux 2.6.10內(nèi)核中的ARM處理器平臺(tái)部分沒有對(duì)高端內(nèi)存的支持，圖18-6和圖18-7分別列出了 SA1100和IXP4XX處理器平臺(tái)的Linux線性地址空間布局。在嵌入式系統(tǒng)中如何訪問(wèn)I/O資源呢？幾乎每一種外設(shè)都是通過(guò)讀寫設(shè)備上的寄存器來(lái)進(jìn)行的，通常包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器 三大類，外設(shè)的寄存器通常被連續(xù)地編址。根據(jù)CPU體系結(jié)構(gòu)的不同，CPU對(duì)IO端口的

15、編址方式有兩種：（1）I/O 映射方式（I/O-mapped ）典型地，如X86處理器為外設(shè)專門實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單獨(dú)的地址空間，稱為I/O地址空間或者I/O 端口空間，CPU通過(guò)專門的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）來(lái)訪問(wèn)這一空間中的地址單元。（2）內(nèi)存映射方式（Memory-mappedRISC指令系統(tǒng)的CPU（如 ARM PowerPC等）通常只實(shí)現(xiàn)一個(gè)物理地址空間，外設(shè)I/O端口成為內(nèi)存的一部分。此時(shí)，CPU可以象訪問(wèn)一個(gè)內(nèi)存單元那樣訪問(wèn)外設(shè)I/O端口，而不需要設(shè)立專門的外設(shè)I/O指令。但是，這兩者在硬件實(shí)現(xiàn)上的差異對(duì)于軟件來(lái)說(shuō)是完全透明的，驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員可以將內(nèi)存映射方式的I/O端

16、口和外設(shè)內(nèi)存統(tǒng)一看作是 I/O內(nèi)存資源。一般來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，外設(shè)的 I/O內(nèi)存資源的物理地址是已知的，由硬件的設(shè)計(jì)決定。但是CPU通常并沒有為這些已知的外設(shè)I/O內(nèi)存資源的物理地址預(yù)定義虛擬地址范圍，驅(qū)動(dòng)程序并不能直接通過(guò)物理地址訪問(wèn)I/O內(nèi)存資源，而必須將它們映射到核心虛地址空間內(nèi)（通過(guò)頁(yè)表），然后才能根據(jù)映射所得 到的核心虛地址范圍，通過(guò)訪內(nèi)指令訪問(wèn)這些I/O內(nèi)存資源。Linux在io.h頭文件中聲明了函數(shù)ioremap（），用來(lái)將I/O內(nèi)存資源的物理地址映射到核心虛地址空間（3GB- 4GB中，原型如下： void * ioremap(unsigned long phys_addr,

17、 unsigned long size, unsigned long flags);iounmap函數(shù)用于取消ioremap ()所做的映射，原型如下：void iounmap(void * addr);這兩個(gè)函數(shù)都是實(shí)現(xiàn)在mm/ioremap.c文件中。在將I/O內(nèi)存資源的物理地址映射成核心虛地址后 ，理論上講我們就可以象讀寫 RAM那樣直接讀寫I/O 內(nèi)存資源了。為了保證驅(qū)動(dòng)程序的跨平臺(tái)的可移植性，我們應(yīng)該使用Linux中特定的函數(shù)來(lái)訪問(wèn)I/O內(nèi)存資源，而不應(yīng)該通過(guò)指向核心虛地址的指針來(lái)訪問(wèn)。如在x86平臺(tái)上，讀寫I/O的函數(shù)如下所示：#define readb(addr) (*(vola

18、tile unsigned char *) _io_virt(addr)#define readw(addr) (*(volatile unsigned short *) _io_virt(addr)#define readl(addr) (*(volatile unsigned int *) _io_virt(addr)#define writeb(b,addr) (*(volatile unsigned char *) _io_virt(addr) = (b)#define writew(b,addr) (*(volatile unsigned short *) _io_virt(addr) = (b)#define writel(b,addr) (*(volatile unsigne