Linux 虚拟地址与物理地址的映射关系分析【转】

转自:https://blog.csdn.net/ordeder/article/details/41630945

Ordeder原创文章,原文链接: http://blog.csdn.net/ordeder/article/details/41630945

源码版本 2.4.0

1. 虚拟空间

 

0-3G 用户空间  0x00000000  ~ 0xbfffffff

3-4G 内核空间     0xc0000000 ~ 0xffffffff

每个用户进程都有独立的用户空间(虚拟地址0-3),而内核空间是唯一的(相当于共享)

每个进程的用户空间用mm_struct描述,即task_struct.mm。

2.进程虚拟地址的组织

2.1 虚拟空间、用户空间

 

  1.  
    struct mm_struct {
  2.  
    struct vm_area_struct * mmap; /* list of VMAs */
  3.  
    ...
  4.  
    pgd_t * pgd; //用于地址映射
  5.  
    atomic_t mm_users; /* How many users with user space? */
  6.  
    atomic_t mm_count; /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */
  7.  
    int map_count; /* number of VMAs */
  8.  
    ...
  9.  
    //描述用户空间的段分布:数据段,代码段,堆栈段
  10.  
    unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
  11.  
    unsigned long start_brk, brk, start_stack;
  12.  
    unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;
  13.  
    unsigned long rss, total_vm, locked_vm;
  14.  
    ...
  15.  
    };

以上结构描述了进程的用户空间的结构,其中
pgd_t    是该进程用户空间地址映射到物理地址时使用
vm_area_struct 是进程用户空间已映射到物理空间的虚拟地址区间,mmap是该空间区块组成的链表。

虚拟空间的空洞:虚拟空间还未被映射的区块(即没有被使用),那么就没有vm_area_struct结构

2.2 内存区间

 

 

  1.  
    /*
  2.  
    * This struct defines a memory VMM memory area. There is one of these
  3.  
    * per VM-area/task. A VM area is any part of the process virtual memory
  4.  
    * space that has a special rule for the page-fault handlers (ie a shared
  5.  
    * library, the executable area etc).
  6.  
    */
  7.  
    struct vm_area_struct {
  8.  
    struct mm_struct * vm_mm; /* VM area parameters */
  9.  
    unsigned long vm_start; //虚拟空间起始地址
  10.  
    unsigned long vm_end; //终止地址
  11.  
     
  12.  
    /* linked list of VM areas per task, sorted by address */
  13.  
    struct vm_area_struct *vm_next;
  14.  
     
  15.  
    //该区间的权限及标志
  16.  
    pgprot_t vm_page_prot;
  17.  
    unsigned long vm_flags;
  18.  
     
  19.  
    //一些vm_area 的链接
  20.  
    ...
  21.  
    struct vm_operations_struct * vm_ops;
  22.  
    unsigned long vm_pgoff; /* offset in PAGE_SIZE units, *not* PAGE_CACHE_SIZE */
  23.  
    struct file * vm_file; //用于将磁盘文件映射至用户空间
  24.  
    ...
  25.  
    };


虚拟空间区间的描述中:
vm_start/vm_end    为该区块的起始和结束地址
vm_file    是在文件映射中使用到,即常用的mmap(fd,...)函数,简单说即将虚拟空间映射至文件在内核的缓冲区,那么这时候访问该虚拟空间将有别于pgd的映射。
vm_operations_struct 为本虚拟区间的操作,其中的nopage函数指针是处理内存缺页而使用的。对于通用的内存映射,该缺页处理函数为do_no_page()将虚拟地址映射到物理地址(匿名映射):分配物理页& 设置pgd & pte。
而对于mmap操作相关的虚拟地址,其缺页处理函数将和文件系统的缺页函数相关,filemap_nopage(),通过文件系统的缺页从磁盘将相关文件块加载如内核缓冲区.

 

 

  1.  
    struct vm_operations_struct {
  2.  
    void (*open)(struct vm_area_struct * area);
  3.  
    void (*close)(struct vm_area_struct * area);
  4.  
    struct page * (*nopage)(struct vm_area_struct * area, unsigned long address, int write_access); //缺页操作
  5.  
    };



3.系统物理地址的组织

内核将物理地址按页来组织,struct page描述系统的物理页的信息,但是页的数据内容是不在该结构中的。系统有全局数据 struct page mem_map[],用于记录每个物理页。
页面大小为4kb,在源码中用体现为(PAGE_SHIFT = 12)

 

  1.  
    /*
  2.  
    * Try to keep the most commonly accessed fields in single cache lines
  3.  
    * here (16 bytes or greater). This ordering should be particularly
  4.  
    * beneficial on 32-bit processors.
  5.  
    *
  6.  
    * The first line is data used in page cache lookup, the second line
  7.  
    * is used for linear searches (eg. clock algorithm scans).
  8.  
    */
  9.  
    typedef struct page {
  10.  
    struct list_head list;
  11.  
    struct address_space *mapping;
  12.  
    unsigned long index;
  13.  
    struct page *next_hash;
  14.  
    atomic_t count;
  15.  
    unsigned long flags; /* atomic flags, some possibly updated asynchronously */
  16.  
    struct list_head lru;
  17.  
    unsigned long age;
  18.  
    wait_queue_head_t wait;
  19.  
    struct page **pprev_hash;
  20.  
    struct buffer_head * buffers;
  21.  
    void *virtual; /* non-NULL if kmapped */
  22.  
    struct zone_struct *zone;
  23.  
    } mem_map_t;

 

struct page是用于描述一个物理页面,该结构仅仅是作为描述,也就是说该页面的4kb数据时存储于某个连续的4kb的物理空间(由MMU决定,具体见下文)。其中:
lru    页面缓冲的调度策略(最少使用优先)

题外话:
page也可以用于文件缓冲,相关参数及作用:
buffer_head    是和设备文件相关的操作,例如在文件系统中,file的一个page有4个块,这些块就存储于buffer_head链表指定的内存中。
index 在文件系统中是用于file缓冲的页号。

 

 

3.1 用户空间页面目录(映射关系)

 

进程的虚拟空间描述中,pgd是用于页式存储的映射使用。当内核发生进程切换时,将新进程的pgd载入CR3寄存器,CPU中的MMU单元依据CR3寄存器进行页面映射。

pgd,pmd和pte可以看做是数组,为进程的地址空间到物理空间实现映射。其中虚拟地址的高位地址决定pgd,中间段地址决定pmd,而低位地址决定pte,pte是“page table entry”。
最终定位的pte中存放的即为对应物理页面的指针。

  1.  
    typedef struct { unsigned long pte; } pte_t;
  2.  
    typedef struct { unsigned long pmd; } pmd_t;
  3.  
    typedef struct { unsigned long pgd; } pgd_t;
  4.  
    typedef struct { unsigned long pgprot; } pgprot_t; //操作标志



3.2用户空间的映射:

1. 用户空间的虚拟地址vaddr通过MMU(pgd,pmd,pte)找到对应的页表项x(即为物理地址)
2. 页表项x的高20位是物理也好,物理页号index = x >> PAGE_SHIFT, 同理,index后面补上12个0就是物理页表的首地址。
3. 通过物理页号,我们可以再内核中找到该物理页的描述的指针mem_map[index],当然这个指针是虚拟地址,page结构见上文。


3.3内核空间虚拟地址的映射:

内核空间与物理地址之间有直接的映射关系,而不需要向用户空间那样通过mmu(pgd)。系统空间映射(3G开始)到物理空间0G起始:
例如:
系统内核映像载入的虚拟地址为3G+1M的起始地址,那么对应的物理地址为1M。
紧接着分配在3G+2M开始分配了8M的虚拟地址(物理地址为2-9M)用于PDG
之后预留了16M空间用DMA于存储。
而全局的page结构的mem_page[]数组是在0xc1000000开始的。
所以内核空间虚拟地址到物理地址的转换为:

 

  1.  
    PAGE_OFFSET = 3GB
  2.  
    vitr_to_phys(kadd)
  3.  
    return vadd - PAGE_OFFSET
  4.  
     
  5.  
    内核空间的虚拟地址vaddr是通过如下方式找到它对应物理地址的page结构:
  6.  
    vitr_to_page(vadd)
  7.  
    index = virt_to_phys(kadd) >> PAGE_SHIFT
  8.  
    return mem_map[index]

 

4. 相关数据结构关系图

说明:

1. 黑色+红色 箭头展示了虚拟地址空间到物理空间的映射关系

2. 蓝色箭头涉涉及到文件的映射操作mmap(),相比匿名映射,文件映射多了文件层的磁盘IO。

 

posted @ 2020-08-18 23:14  Sky&Zhang  阅读(610)  评论(0编辑  收藏  举报