linux 使用者空間與核心空間 高階記憶體詳解

2021-08-04 02:43:32 字數 4272 閱讀 9762



摘要:linux 作業系統和驅動程式執行在核心空間,應用程式執行在使用者空間,兩者不能簡單地使用指標傳遞資料,因為linux使用的虛擬記憶體機制,使用者空間的資料可能被換出,當核心空間使用使用者空間指標時,對應的資料可能不在記憶體中。使用者空間的記憶體對映採用段頁式,而核心空間有自己的規則;本文旨在**核心空間的位址對映。

linux核心位址空間劃分

通常32位linux核心虛擬位址空間

劃分0~3g為使用者空間,

3~4g為核心空間(注意,核心可以使用的線性位址只有1g)

。注意這裡是32位核心位址空間劃分,64位核心位址空間劃分是不同的。

linux核心高階記憶體的由來

當核心模組**或執行緒訪問記憶體時,**中的記憶體位址都為邏輯位址,而對應到真正的物理記憶體位址,需要位址一對一的對映,如邏輯位址0xc0000003對應的實體地址為0×3,0xc0000004對應的實體地址為0×4,… …,邏輯位址與實體地址對應的關係為

實體地址 = 邏輯位址 – 0xc0000000:這是核心位址空間的位址轉換關係,注意核心的虛擬位址在「高階」,但是ta對映的物理記憶體位址在低端。

邏輯位址

物理記憶體位址

0xc0000000

0×00xc0000001

0×10xc0000002

0×20xc0000003

0×3…

…0xe0000000

0×20000000……

0xffffffff

0×40000000 ??

假 設按照上述簡單的位址對映關係,那麼核心邏輯位址空間訪問為0xc0000000 ~ 0xffffffff,那麼對應的物理記憶體範圍就為0×0 ~ 0×40000000,即只能訪問1g物理記憶體。若機器中安裝8g物理記憶體,那麼核心就只能訪問前1g物理記憶體,後面7g物理記憶體將會無法訪問,因為核心 的位址空間已經全部對映到物理記憶體位址範圍0×0 ~ 0×40000000。即使安裝了8g物理記憶體,那麼實體地址為0×40000001的記憶體,核心該怎麼去訪問呢?**中必須要有記憶體邏輯位址 的,0xc0000000 ~ 0xffffffff的位址空間已經被用完了,所以無法訪問實體地址0×40000000以後的記憶體。

顯 然不能將核心位址空間0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用來簡單的位址對映。

因此x86架構中將核心位址空間劃分三部分:zone_dma、zone_normal和 zone_highmem。zone_highmem即為高階記憶體,這就是記憶體高階記憶體概念的由來。

在x86結構中,三種型別的區域(從3g開始計算)如下:

zone_dma記憶體開始的16mb

zone_normal16mb~896mb

zone_highmem896mb ~ 結束(1g)

linux核心高階記憶體的理解

前 面我們解釋了高階記憶體的由來。 linux將核心位址空間劃分為三部分zone_dma、zone_normal和zone_highmem,高階記憶體high_mem位址空間範圍為 0xf8000000 ~ 0xffffffff(896mb~1024mb)。那麼如

核心是如何借助128mb高階記憶體位址空間是如何實現訪問可以所有物理記憶體

當核心想訪問高於896mb實體地址記憶體時,從0xf8000000 ~ 0xffffffff位址空間範圍內找一段相應大小空閒的邏輯位址空間,借用一會。借用這段邏輯位址空間,建立對映到想訪問的那段物理記憶體(即填充核心pte頁面表),臨時用一會,用完後歸還。這樣別人也可以借用這段位址空間訪問其他物理記憶體,實現了使用有限的位址空間,訪問所有所有物理記憶體。如下圖。

例 如核心想訪問2g開始的一段大小為1mb的物理記憶體,即實體地址範圍為0×80000000 ~ 0x800fffff。訪問之前先找到一段1mb大小的空閒位址空間,假設找到的空閒位址空間為0xf8700000 ~ 0xf87fffff,用這1mb的邏輯位址空間對映到實體地址空間0×80000000 ~ 0x800fffff的記憶體。對映關係如下:

邏輯位址

物理記憶體位址

0xf8700000

0×80000000

0xf8700001

0×80000001

0xf8700002

0×80000002……

0xf87fffff

0x800fffff

當核心訪問完0×80000000 ~ 0x800fffff物理記憶體後,就將0xf8700000 ~ 0xf87fffff核心線性空間釋放。這樣其他程序或**也可以使用0xf8700000 ~ 0xf87fffff這段位址訪問其他物理記憶體。

從上面的描述,我們可以知道高階記憶體的最基本思想

看到這裡,不禁有人會問:萬一有核心程序或模組一直占用某段邏輯位址空間不釋放,怎麼辦?若真的出現的這種情況,則核心的高階記憶體位址空間越來越緊張,若都被占用不釋放,則沒有建立對映到物理記憶體都無法訪問了。

linux核心高階記憶體的劃分

核心將高階記憶體劃分為3部分:vmalloc_start~vmalloc_end、kmap_base~fixaddr_start和fixaddr_start~4g。

對 於高階記憶體,可以通過 alloc_page() 或者其它函式獲得對應的 page,但是要想訪問實際物理記憶體,還得把 page 轉為線性位址才行(為什麼?想想 mmu 是如何訪問物理記憶體的),也就是說,我們需要為高階記憶體對應的 page 找乙個線性空間,這個過程稱為高階記憶體對映。

對應高階記憶體的3部分,高階記憶體對映有三種方式

對映到」核心動態對映空間」(noncontiguous memory allocation)

這種方式很簡單,因為通過 vmalloc() ,在」核心動態對映空間」申請記憶體的時候,就可能從高階記憶體獲得頁面(參看 vmalloc 的實現),因此說高階記憶體有可能對映到」核心動態對映空間」中。

核心在 fixaddr_start 到 fixaddr_top 之間保留了一些線性空間用於特殊需求。這個空間稱為」固定對映空間」在這個空間中,有一部分用於高階記憶體的臨時對映。

這塊空間具有如下特點:

(1)每個 cpu 占用一塊空間

(2)在每個 cpu 占用的那塊空間中,又分為多個小空間,每個小空間大小是 1 個 page,每個小空間用於乙個目的,這些目的定義在 kmap_types.h 中的 km_type 中。

當要進行一次臨時對映的時候,需要指定對映的目的,根據對映目的,可以找到對應的小空間,然後把這個空間的位址作為對映位址。這意味著一次臨時對映會導致以前的對映被覆蓋。通過 kmap_atomic() 可實現臨時對映。

常見問題:

1、使用者空間(程序)是否有高階記憶體概念?

使用者程序沒有高階記憶體概念。只有在核心空間才存在高階記憶體。使用者程序最多隻可以訪問3g物理記憶體,而核心程序可以訪問所有物理記憶體。

2、64位核心中有高階記憶體嗎?

目前現實中,64位linux核心不存在高階記憶體,因為64位核心可以支援超過512gb記憶體。若機器安裝的物理記憶體超過核心位址空間範圍,就會存在高階記憶體。

3、使用者程序能訪問多少物理記憶體?核心**能訪問多少物理記憶體?

32位系統使用者程序最大可以訪問3gb,核心**可以訪問所有物理記憶體。

64位系統使用者程序最大可以訪問超過512gb,核心**可以訪問所有物理記憶體。

4、高階記憶體和實體地址、邏輯位址、線性位址的關係?

高階記憶體只和邏輯位址有關係,和邏輯位址、實體地址沒有直接關係。

5、為什麼不把所有的位址空間都分配給核心?

若把所有位址空間都給記憶體,那麼使用者程序怎麼使用記憶體?怎麼保證核心使用記憶體和使用者程序不起衝突?

linux核心空間與使用者空間

核心空間和使用者空間是作業系統理論的基礎之一,即核心功能模組執行在核心空間,而應用程式執行在使用者空間。現代的cpu都具有不同的操作模式,代表不同的級別,不同的級別具有不同的功能,在較低的級別中將禁止某些操作。linux系統設計時利用了這種硬體特性,使用了兩個級別,最高端別和最低級別,核心執行在最高...

Linux的使用者空間與核心空間

當核心模組 或執行緒訪問記憶體時,中的記憶體位址都為邏輯位址,而對應到真正的物理記憶體位址,需要位址一對一的對映,如邏輯位址0xc0000003對應的實體地址為0 3,0xc0000004對應的實體地址為0 4,邏輯位址與實體地址對應的關係為 邏輯位址物理記憶體位址 0xc0000000 0 00x...

核心空間與使用者空間

1.核心態與使用者態的區別 1 核心態 的 不受任何限制,可以訪問 所有處理器指令集 記憶體位址以及i o空間 2 使用者態的 只能訪問其位址空間的頁表項中規定的虛擬位址。2.使用者態到核心態的切換方式 1 系統呼叫 軟中斷的一種 由使用者程序主動發起 2 異常 當cpu在執行執行在使用者態下的程式...