Linux系统在X86上的虚拟内存管理详解 （3）

 

LINUX的分页策略

标准Linux的分页是三级页表结构，除了X86支持的页目录和页，还有一级被称为中间页目录。因此，线性地址在转换为物理地址的过程中，线性地址就被解释为四个部分（不是X86所认识的三个部分），增加了页中间目录中的索引。当运行在X86平台上时，Linux通过将中间页目录最大的页目录项个数定义为1，并提供一组相关的宏（这些宏将中间页目录用页目录来替换）将三级页面结构分解过程完美的转换为X86使用的二级页面分解。这样，无需改动内核中页面解释的主要代码（这些代码都是认为线性地址由四个部分组成）。关于这些宏定义参见Linux源码"/include/asm/pgtable.h"，"/include/asm/page.h"。

内核态虚拟空间从3GB到3GB+4MB的一段（对应进程页目录第768项指引的页表），被映射到物理地址0x0~0x3FFFFF（4MB）。因此，进程处于内核态时，只要通过访问3GB到3GB+4MB就可访问物理内存的低4MB空间。所有进程从3GB到4GB的线性空间都是一样的，由同样的页目录项，同样的页表，映射到相同的物理内存段。Linux以这种方式让内核态进程共享代码和数据。

Linux分段分页初始化

无论Linux系统如何被引导，经过zImage（参见arch/i386/boot/bootsect.s）或经过LILO，最后都会跳转执行arch/i386/boot/setup.s（被装载到SETUPSEG，物理地址 0x90200），setup.s从BIOS中获取计算机系统的硬件参数（如硬盘参数），放到内存参数区（临时寄放），同时做一些初步的状态检查，为进入保护模式做准备。

保护模式下的内核初始化模块从物理地址0x100000开始执行，该地址开始的代码和数据结构都对应在arch/i386/kernel/head.s中，参见附表3。初始化模块主要功能是对相关寄存器IDT，GDT，页目录及页表等进行初始化。下面，忽略head.s执行流程的细节，概要阐述head.s主要的初始化功能。

1. 部分寄存器的初始化：将段寄存器DS、ES、GS和FS用__KERNEL_DS（0x18，include/asm-i386/segment.h）来初始化（通过前面对段寄存器的描述和段选择符的介绍可知道，其作用是将定位到GDT中的第三项（内核数据段），并设置对该段的操作特限级为0）；置位CR0的PG位，并根据CPU的型号选择置位AM, WP, NE 和 MP；用0x101000初始化CR3（页目录swapper_pg_dir的地址）；置ESP高32bits为__KERNEL_DS（0x18），低32bits为init_user_stack+8192；LDTR初始化为0。

2. 有关IDT的初始化：这只是临时初始化IDT，进一步的操作在start_kernel中进行；用于表示IDT的变量（idt_table[ ]）在arch/i386/kenel/traps.c中定义，变量类型（desc_struct）定义在include/asm-i386/desc.h。IDT共有IDT_ENTRIES（256）个中断描述符，属性字均为0x8E00，每个中断描述符都指向同一个中断服务程序ignore_init。Ignore_int的功能仅仅是输出消息int_msg（"unknown interrupt"）。而IDTR的值为通过命令lidt idt_descr实现。通过在head.s中查看idt_descr的值可以计算得知，IDT的基地址为idt_table的地址，表长IDT_ENTRIES*8-1（0x7FF）。

3. 有关GDT的初始化：GDT共有GDT_ENTRIES个段描述符。GDT_ENTRIES的计算公式为：12+2*NR_TASKS。其中12表示前面提到的Linux在GDT中保留的12项，NR_TASKS（512）指系统设定容纳的进程数，定义在include/linux/tasks.h。GDT在head.s直接分配存储单元（标号为gdt_table）。初始化后的GDT如附表1所示。GDTR的值通过命令lgdt gdt_descr实现。通过在head.s中查看gdt_descr的值可以计算得知，GDT的基地址为gdt_table的地址，表长GDT_ENTRIES*8-1（0x205F）。

4. 页目录的初始化：页目录由变量swapper_pg_dir表示，共有1024个页目录项。其第0项和第768项均指向pg0（第0页），初始化值为0x00102007（根据其高20bits的值0x102换算：0x102*4KB=0x102000，第0页紧跟页目录后，物理地址为0x102000），由此可知，Linux 4GB空间中的虚拟地址0x0和0xBFFFFFFF（3GB）均由pg0映射（物理地址0x0~0x3FFFFF（4MB））；其他页目录项初始值为0x0。

5. pg0的初始化：第n项对应第n页，属性为0x007；即第n项的初始化值的高20bits值为n，底12bits值为0x007；由此可见pg0映射了物理空间的低4MB空间；

6. 初始化empty_zero_page：该页的前2KB空间用来存储setup.s保存在内存参数区的来自BIOS的系统硬件参数；后2KB空间作为命令行缓冲区.