Linux 内存布局

     本文主要简介在X86体系结构下和在ARM体系结构下,Linux内存布局的概况,力求简单明了,不过多深入概念,多以图示的方式来记忆理解,一图胜万言。

Technorati 标签:

    X86体系结构

     在X86体系结构下,物理内存地址一般从0x0000_0000开始,而Linux内核主要按照在物理地址0x0010_0000开始的地方,即物理地址1M以上的空间。那最开始的1M空间是用来干什么的呢?

      考虑到通用的IBM-PC体系结构,最开始的1M空间由BIOS例程和映射ISA图形卡的内存,这块区域为了所有IBM兼容PC从640K到1M的物理地址,始终存在,但无法被操作系统使用。

image 

主要内存布局如上图所示:

     mmap映射区向下扩展,堆向上扩展,两者相对扩展,直到耗尽虚拟地址空间中的剩余区域。

     BSS段用来存放程序中未初始化的全局变量,该段内容只记录数据所需空间大小,并不分配真实空间。

     DATA段用来存放程序中已初始化的全局变量,为数据分配空间,数据具体值保持在目标文件中。

     CODE段用来存放程序中执行代码的内存区域,通常为大小确定的只读段,包括只读常量、只读代码等。

     image

  参考资料:从加载到进入kernel运行的内存布局变化

               Linux系统启动过程分析

   ARM体系结构

     以S3C2410为例子,假设物理内存为64M,映射到ARM的起始物理地址为【0x3000_0000~0x3200_0000】,这个由硬件接线决定。我们可以通过查看内核编译输出的System.map文件来了解内核虚拟地址空间布局,结果类似如下:

     image  image

   可以看出内核镜像大小为3.7M,虚拟地址空间起始地址为0xc000_0000(这是开启MMU之后的虚拟地址空间),在内核head.S文件中,有内核线性地址和物理地址的描述,见下图:

image

     PAGE_OFFSET为0xC000_0000,为内核虚拟地址相对偏移(相对于0地址的偏移),PHYS_OFFSET为内核载入实际物理地址相对偏移,不同的硬件板子,ARM访问的内存物理地址不一样,这里以0x3000_0000(这由硬件接线决定)为假设。TEXT_OFFSET为0x0000_8000,为编译时指定的代码段偏移,所以,uboot最后启动内核的地址为内核代码指定的KERNEL_RAM_PADDR(0x3000_8000),这样才能正常运行,而内核的入口地址和载入地址,最好设置成一样。而uboot加载kernel的实际地址设置为0x3000_7fc0,比KERNEL_RAM_PADDR少64个字节,这可以避免拷贝内核,64个字节为uImage内核镜像针对uboot添加的特定头部信息。

     从上面的检查宏可以看出,内核开始的物理地址,必须开始在0xXXXX_8000的地址空间。

      swapper_pg_dir 为内核全局页表的起始地址,stext为内核的入口虚拟地址,因此,可以看出,全局页表占据16K的空间。

     head.S文件的功能,主要获取处理器类型和机器类型信息,创建临时页表,然后开启MMU,并进入第一个C语言函数start_kernel。

     更加详细的可以参见:

    http://www.arm.linux.org.uk/developer/memory.txt
 
 

内核提供的内存访问接口

    内核提供的所有接口都是以页为单位分配内存的,其中,最核心的函数为alloc_pages,其原型如下:

    struct page * alloc_pages(unsigned int gfp_mask,unsigned int order)

     该函数分配2^order个连续的物理页,并返回指向第一个页的指针。如果分配出错,返回NULL。其他的一些页分配接口。

     61d132cb54a04e109f063388c7260011

 

   1. kmalloc/kfree:    基于slab分配器的内存分配函数,支持分配大小32byte-128KB,分配的为物理地址连续的一段内存,使用GFP_KERNEL时,函数可能睡眠。使用GFP_ATOMIC时,函数不睡眠。

    kzalloc:基于kmallc的,分配一段内核内存并且清零。

    2.vmalloc/vfree:工作在内核虚拟空间的VMALLOC_START和VMALLOC_END所代表的vmalloc区,支持分配大内容,分配为逻辑地址连续的一段内存,速度慢,效率低,可能睡眠,映射的地址优先从ZONE_HIGHMEM分配.

    3.利用slab分配器的高速缓存,使用kmem_cache_create和keme_cache_alloc这两个函数。/proc/slabinfo查看所有的kmem_cache缓存。 keme_cache_alloc 用于需要频繁分配和释放同一类型的数据结构对象,充分利用硬件缓存,提升系统性能。

    相反的处理函数有kmem_cache_destory和kmem_cache_free

    4.用于多处理器的per-CPU变量,核心思想是,通过为系统中每个处理器都分配一个CPU特定的变量副本,减少多处理器并发访问时的锁定操作,提高系统性能。

 

强烈推荐优秀参考链接:arm-linux启动过程

Linux 内存使用方法详细解析

posted @ 2015-01-20 06:39  浩天之家  阅读(4084)  评论(0编辑  收藏