Linux内存管理

基础概念关系

在计算机架构中，硬件主板上主体分为南北桥，北桥主要是CPU内存显卡等之间的数据传输，而南桥主要负责的是IO相关的、外部存储设备、BIOS相关的数据。

而我们所知的内存管理，实际是程序的逻辑地址，通过分段机制转为线性地址，通过分页机制转为物理地址（这一部由CPU的MMU模块支持），物理地址再通过北桥访问到具体的RAM设备，或者是ISA设备，或者PCI等IO相关（再通过南桥）。

内存寻址的工作是由Linux内核和MMU共同完成的，其中Linux内核负责cr3，gdtr等寄存器的设置，页表的维护，页面的管理，MMU则进行具体的映射工作。

另外，学过汇编语言我们知道最原始的访问物理地址是通过CS:IP的分段机制来访问的，所以x86架构由于历史原因是是分段机制，但是Linux的内存管理是分页机制。为了向前兼容我们把整个内存段落拓宽为只有一段，段基址为0，段限长为4G，只是在段类型和段访问权限上有所区分，并且Linux内核和所有进程共享1个GDT，不使用LDT(即系统中所有的段描述符都保存在同一个GDT中)，这是为了应付CPU的分段机制所能做的最少工作。

具体线性地址和物理地址转换可以参考如图

物理地址空间

0-16M	ZONE_DMA，该区域的物理页面专门供I/O设备的DMA使用。之所以需要单独管理DMA的物理页面，是因为DMA使用物理地址访问内存，不经过MMU，并且需要连续的缓冲区，所以为了能够提供物理上连续的缓冲区，必须从物理地址空间专门划分一段区域用于DMA。
16M-896M	ZONE_NORMAL，该区域的物理页面是内核直接映射，即内核空间的常用的数据如kernel代码、GDT、IDT、PGD、mem_map数组等放在ZONE_NORMAL里，为的是内核该虚拟地址与物理地址是直接映射，不通过页机制。
896M-4G	ZONE_HEIGHT，该区域是物理高端地址，映射到用户空间和内核部分空间。
640k-1M	这段地址空间被BIOS和VGA适配器所占据。RAM地址空洞。
MMIO	在MMIO中，IO设备和内存共享同一个地址总线，它们的地址空间是相同的; 而在PMIO中，IO设备和内存的地址空间是隔离的。简单点说就是MMIO将IO地址编入内存地址中，调用相应的内存地址即调用到相应的IO设备，而至于往下的是像Inter的int/out指令端口独立编址还是ARM的统一编址则不管。

虚拟地址空间

虚拟地址空间	实际意义
0-3G	用户空间
3G-4G	内核空间
3G-3G+16M	对应的物理地址中的ZONE_DMA
3G+16M-3G+896M	对应的物理地址中的ZONE_NORMAL
VMALLOC_START-VMALLOCEND	vmalloc area
PKMAP_BASE	持久化内核映射区
FIXADDR_BASE	临时内核映射区

内核空间

对于虚拟地址空间，我们知道0-3G是用户空间，而3G-4G是内核空间，前896M已经用于直接映射了，那么剩下的128M空间需要映射其他的不同位置物理空间，即高端物理空间。

Kernel提供了三种机制，分别是vmalloc area，持久化内核映射区，临时内核映射区。

vmallo area，提供连续的虚拟地址，但是指向的物理地址不一定连续
持久化内核映射区，方便通过物理地址找到对应的虚拟地址，用于固定的线性地址常量，例如0xffffc000，且该常量在编译阶段就可以确定。创建持久内核映射的函数kmap()可能会阻塞当前进程，因此不能用在中断上下文中。
临时内核映射区，与持久内核映射相比，它更快，而且不会阻塞当前进程，因此可以用在中断上下文中。不过，它也有一个弱点，就是使用它的代码不能睡眠。因为每一个CPU都有独自的13个临时映射地址如果切换进程可能导致该地址被改变。