深入理解Linux內存映射機制 (1)

一. 緒 論
二. X86的硬件尋址方法
三. 內核對頁表的設置
四. 實例分析映射機制

一. 緒 論
我們經常在程序的反匯編代碼中看到一些類似0x32118965這樣的地址，操作系統中稱為線性地址，或虛擬地址。虛擬地址有什么用？虛擬地址又是如何轉換為物理內存地址的呢？本章將對此作一個簡要闡述。
1.1 Linux內存尋址概述
現代意義上的操作系統都處于32位保護模式下。每個進程一般都能尋址4G的物理空間。但是我們的物理內存一般都是幾百M，進程怎么能獲得4G的物理空間呢？這就是使用了虛擬地址的好處，通常我們使用一種叫做虛擬內存的技術來實現，因為可以使用硬盤中的一部分來當作內存使用。例外一點現在操作系統都劃分為系統空間和用戶空間，使用虛擬地址可以很好的保護內核空間被用戶空間破壞。
對于虛擬地址如何轉為物理地址,這個轉換過程有操作系統和CPU共同完成. 操作系統為CPU設置好頁表。CPU通過MMU單元進行地址轉換。
1.2 瀏覽內核代碼的工具
現在的內核都很大， 因此我們需要某種工具來閱讀龐大的源代碼體系，現在的內核開發工具都選用vim ctag cscope瀏覽內核代碼，網上已有現成的makefile文件用來生成ctags/cscope/etags。
一、用法：
找一個空目錄，把附件Makefile拷貝進去。然后在該目錄中選擇性地運行如下make命令：
$ make
將處理/usr/src/linux下的源文件，在當前目錄生成ctags, cscope
注：SRCDIR用來指定內核源代碼目錄，如果沒有指定，則缺省為/usr/src/linux/
1) 只創建ctags
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/ tags
2) 只創建cscope
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/ cscope
3) 創建ctags和cscope
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/
4) 只創建etags
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/ TAGS

二、處理時包括的內核源文件：
1) 不包括drivers，sound目錄
2) 不包括無關的體系結構目錄
3) fs目錄只包括頂層目錄和ext2，proc目錄

三、最簡單的ctags命令
1) 進入
進入vim后，用
:tag func_name
跳到函數func_name
2) 看函數（identifier）
想進入光標所在的函數，用
CTRL ]
3) 回退
回退用 CTRL T

1.3 內核版本的選取
本次論文分析， 我選取的是linux-2.6.10版本的內核。最新的內核代碼為2.6.25。但是現在主流的服務器都使用的是RedHat AS4的機器，它使用2.6.9的內核。我選取2.6.10是因為它很接近2.6.9，現在紅帽企業Linux 4以Linux2.6.9內核為基礎，是最穩定、最強大的商業產品。在2004年期間，Fedora等開源項目為Linux 2.6內核技術的更加成熟提供了一個環境，這使得紅帽企業 Linux v.4內核可以提供比以前版本更多更好的

功能和算法，具體包括:
• 通用的邏輯CPU調度程序：處理多內核和超線程CPU。
• 基于對象的逆向映射虛擬內存：提高了內存受限系統的性能。
• 讀復制更新：針對操作系統數據結構的SMP算法優化。
• 多I/O調度程序：可根據應用環境進行選擇。
• 增強的SMP和NUMA支持：提高了大型服務器的性能和可擴展性。
• 網絡中斷緩和（NAPI）：提高了大流量網絡的性能。
Linux 2.6 內核使用了許多技術來改進對大量內存的使用，使得 Linux 比以往任何時候都更適用于企業。包括反向映射（reverse mapping）、使用更大的內存頁、頁表條目存儲在高端內存中，以及更穩定的管理器。因此，我選取linux-2.6.10內核版本作為分析對象。

二. X86的硬件尋址方法
請參考Intel x86手冊^_^

三. 內核對頁表的設置
CPU做出映射的前提是操作系統要為其準備好內核頁表，而對于頁表的設置，內核在系統啟動的初期和系統初始化完成后都分別進行了設置。
3.1 與內存映射相關的幾個宏
這幾個宏把無符號整數轉換成對應的類型
#define __pte(x) ((pte_t) { (x) } )
#define __pmd(x) ((pmd_t) { (x) } )
#define __pgd(x) ((pgd_t) { (x) } )
#define __pgprot(x) ((pgprot_t) { (x) } )

根據x把它轉換成對應的無符號整數
#define pte_val(x) ((x).pte_low)
#define pmd_val(x) ((x).pmd)
#define pgd_val(x) ((x).pgd)
#define pgprot_val(x) ((x).pgprot)

把內核空間的線性地址轉換為物理地址
#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)

把物理地址轉化為線性地址
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x) PAGE_OFFSET))

x是頁表項值， 通過pte_pfn得到其對應的物理頁框號， 最后通過pfn_to_page得到對應的物理頁描述符
#define pte_page(x) pfn_to_page(pte_pfn(x))

如果對應的表項值為0， 返回1
#define pte_none(x) (!(x).pte_low)

x是頁表項值， 右移12位后得到其對應的物理頁框號
#define pte_pfn(x) ((unsigned long)(((x).pte_low >> PAGE_SHIFT)))
根據頁框號和頁表項的屬性值合并成一個頁表項值
#define pfn_pte(pfn, prot) __pte(((pfn) << PAGE_SHIFT) | pgprot_val(prot))

根據頁框號和頁表項的屬性值合并成一個中間表項值
#define pfn_pmd(pfn, prot) __pmd(((pfn) << PAGE_SHIFT) | pgprot_val(prot))

向一個表項中寫入指定的值
#define set_pte(pteptr, pteval) (*(pteptr) = pteval)
#define set_pte_atomic(pteptr, pteval) set_pte(pteptr,pteval)
#define set_pmd(pmdptr, pmdval) (*(pmdptr) = pmdval)
#define set_pgd(pgdptr, pgdval) (*(pgdptr) = pgdval)

根據線性地址得到高10位值， 也就是在目錄表中的索引
#define pgd_index(address) (((address)>>PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD-1))

根據頁描述符和屬性得到一個頁表項值
#define mk_pte(page, pgprot) pfn_pte(page_to_pfn(page), (pgprot))
3.2內核頁表的初始化
內核在進入保護模式前， 還沒有啟用分頁功能， 在這之前內核要先建立一個臨時內核

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