Linux内存启用分页机制

Linux内存启用分页机制

2008-08-10 06:28

          当Linux启动时，首先运行在实模式下，随后就要转到保护模式下运行。因为在第二章段机制中，我们已经介绍了Linux对段的设置，在此我们主要讨论与分页机制相关的问题。Linux内核代码的入口点就是/arch/i386/kernel/head.S中的startup_32。

1．页表的初步初始化：

/*

* The page tables are initialized to only 8MB here - the final page

* tables are set up later depending on memory size.

*/

.org 0x2000

ENTRY(pg0)

.org 0x3000

ENTRY(pg1)

/*

* empty_zero_page must immediately follow the page tables ! (The

* initialization loop counts until empty_zero_page)

*/

.org 0x4000

ENTRY(empty_zero_page)

／*

* Initialize page tables

*/

         movl $pg0-__PAGE_OFFSET,%edi /* initialize page tables */

         movl $007,%eax          /* "007" doesn't mean with right to kill, but

                                   PRESENT+RW+USER */

2:      stosl

         add $0x1000,%eax

         cmp $empty_zero_page-__PAGE_OFFSET,%edi

         jne 2b

内核的这段代码执行时，因为页机制还没有启用，还没有进入保护模式，因此指令寄存器EIP中的地址还是物理地址，但因为pg0中存放的是虚拟地址（想想gcc编译内核以后形成的符号地址都是虚拟地址），因此，“$pg0-__PAGE_OFFSET ”获得pg0的物理地址，可见pg0存放在相对于内核代码起点为0x2000的地方,即物理地址为0x00102000，而pg1的物理地址则为0x00103000。Pg0和pg1这个两个页表中的表项则依次被设置为0x007、0x1007、0x2007等。其中最低的三位均为1，表示这两个页为用户页，可写，且页的内容在内存中（参见图2.24）。所映射的物理页的基地址则为0x0、0x1000、0x2000等，也就是物理内存中的页面0、1、2、3等等，共映射2K个页面，即8MB的存储空间。由此可以看出，Linux内核对物理内存的最低要求为8MB。紧接着存放的是empty_zero_page页(即零页)，零页存放的是系统启动参数和命令行参数，具体内容参见第十三章。

2．启用分页机制：

/*

* This is initialized to create an identity-mapping at 0-8M (for bootup

* purposes) and another mapping of the 0-8M area at virtual address

* PAGE_OFFSET.

*/

.org 0x1000

ENTRY(swapper_pg_dir)

         .long 0x00102007

         .long 0x00103007

         .fill BOOT_USER_PGD_PTRS-2,4,0

         /* default: 766 entries */

         .long 0x00102007

         .long 0x00103007

         /* default: 254 entries */

        .fill BOOT_KERNEL_PGD_PTRS-2,4,0

/*

* Enable paging

*/

3:

       movl $swapper_pg_dir-__PAGE_OFFSET,%eax

       movl %eax,%cr3          /* set the page table pointer.. */

       movl %cr0,%eax

       orl $0x80000000,%eax

       movl %eax,%cr0          /* ..and set paging (PG) bit */

       jmp 1f                  /* flush the prefetch-queue */

1:

       movl $1f,%eax

       jmp *%eax            /* make sure eip is relocated */

1:

我们先来看这段代码的功能。这段代码就是把页目录swapper_pg_dir的物理地址装入控制寄存器cr3，并把cr0中的最高位置成1，这就开启了分页机制。

但是，启用了分页机制，并不说明Linux内核真正进入了保护模式，因为此时，指令寄存器EIP中的地址还是物理地址，而不是虚地址。“jmp 1f”指令从逻辑上说不起什么作用，但是，从功能上说它起到丢弃指令流水线中内容的作用（这是Intel在i386技术资料中所建议的），因为这是一个短跳转，EIP中还是物理地址。紧接着的mov和jmp指令把第二个标号为1的地址装入EAX寄存器并跳转到那儿。在这两条指令执行的过程中, EIP还是指向物理地址“1MB＋某处”。因为编译程序使所有的符号地址都在虚拟内存空间中，因此，第二个标号1的地址就在虚拟内存空间的某处（(PAGE_OFFSET+某处)，于是，jmp指令执行以后，EIP就指向虚拟内核空间的某个地址，这就使CPU转入了内核空间，从而完成了从实模式到保护模式的平稳过渡。

然后再看页目录swapper_pg_dir中的内容。从前面的讨论我们知道pg0和pg1这两个页表的起始物理地址分别为0x00102000和0x00103000。从图2­.22可知，页目录项的最低12位用来描述页表的属性。因此，在swapper_pg_dir中的第0和第1个目录项0x00102007、0x00103007，就表示pg0和pg1这两个页表是用户页表、可写且页表的内容在内存。

接着，把swapper_pg_dir中的第2～767共766个目录项全部置为0。因为一个页表的大小为4KB，每个表项占4个字节，即每个页表含有1024个表项，每个页的大小也为4KB，因此这768个目录项所映射的虚拟空间为768´1024´4K＝3G，也就是swapper_pg_dir表中的前768个目录项映射的是用户空间。

最后，在第768和769个目录项中又存放pg0和pg1这两个页表的地址和属性，而把第770～1023共254个目录项置0。这256个目录项所映射的虚拟地址空间为256´1024´4K＝1G，也就是swapper_pg_dir表中的后256个目录项映射的是内核空间。

由此可以看出，在初始的页目录swapper_pg_dir中，用户空间和内核空间都只映射了开头的两个目录项，即8MB的空间，而且有着相同的映射，如图6.6所示。

                    图6.6 初始页目录swapper_pg_dir的映射图

     读者会问，内核开始运行后运行在内核空间，那么，为什么把用户空间的低区（8M）也进行映射，而且与内核空间低区的映射相同？简而言之，是为了从实模式到保护模式的平稳过渡。具体地说，当CPU进入内核代码的起点startup_32后，是以物理地址来取指令的。在这种情况下，如果页目录只映射内核空间，而不映射用户空间的低区，则一旦开启页映射机制以后就不能继续执行了，这是因为，此时CPU中的指令寄存器EIP仍指向低区，仍会以物理地址取指令，直到以某个符号地址为目标作绝对转移或调用子程序为止。所以，Linux内核就采取了上述的解决办法。   

但是，在CPU转入内核空间以后，应该把用户空间低区的映射清除掉。后面读者将会看到，页目录swapper_pg_dir经扩充后就成为所有内核线程的页目录。在内核线程的正常运行中，处于内核态的CPU是不应该通过用户空间的虚拟地址访问内存的。清除了低区的映射以后，如果发生CPU在内核中通过用户空间的虚拟地址访问内存，就可以因为产生页面异常而捕获这个错误。

3．物理内存的初始分布

经过这个阶段的初始化，初始化阶段页目录及几个页表在物理空间中的位置如图6.7所示：

                     

                               图6.7 初始化阶段页目录及几个页表在物理空间中的位置

其中empty_zero_page中存放的是在操作系统的引导过程中所收集的一些数据，叫做引导参数。因为这个页面开始的内容全为0，所以叫做“零页”，代码中常常通过宏定义ZERO_PAGE来引用这个页面。不过，这个页面要到初始化完成，系统转入正常运行时才会用到。为了后面内容介绍的方便，我们看一下复制到这个页面中的命令行参数和引导参数。这里假定这些参数已被复制到“零页”，在setup.c中定义了引用这些参数的宏：

/*

* This is set up by the setup-routine at boot-time

*/

#define PARAM   ((unsigned char *)empty_zero_page)

#define SCREEN_INFO (*(struct screen_info *) (PARAM+0))

#define EXT_MEM_K (*(unsigned short *) (PARAM+2))

#define ALT_MEM_K (*(unsigned long *) (PARAM+0x1e0))

#define E820_MAP_NR (*(char*) (PARAM+E820NR))

#define E820_MAP    ((struct e820entry *) (PARAM+E820MAP))

#define APM_BIOS_INFO (*(struct apm_bios_info *) (PARAM+0x40))

#define DRIVE_INFO (*(struct drive_info_struct *) (PARAM+0x80))

#define SYS_DESC_TABLE (*(struct sys_desc_table_struct*)(PARAM+0xa0))

#define MOUNT_ROOT_RDONLY (*(unsigned short *) (PARAM+0x1F2))

#define RAMDISK_FLAGS (*(unsigned short *) (PARAM+0x1F8))

#define ORIG_ROOT_DEV (*(unsigned short *) (PARAM+0x1FC))

#define AUX_DEVICE_INFO (*(unsigned char *) (PARAM+0x1FF))

#define LOADER_TYPE (*(unsigned char *) (PARAM+0x210))

#define KERNEL_START (*(unsigned long *) (PARAM+0x214))

#define INITRD_START (*(unsigned long *) (PARAM+0x218))

#define INITRD_SIZE (*(unsigned long *) (PARAM+0x21c))

#define COMMAND_LINE ((char *) (PARAM+2048))

#define COMMAND_LINE_SIZE 256

其中宏PARAM就是empty_zero_page的起始位置，随着代码的阅读，读者会逐渐理解这些参数的用途。这里要特别对宏E820_MAP进行说明。E820_MAP是个struct e820entry数据结构的指针，存放在参数块中位移为0x2d0的地方。这个数据结构定义在include/i386/e820.h中：

struct e820map {

     int nr_map;

     struct e820entry {

         unsigned long long addr;       /* start of memory segment */

         unsigned long long size;        /* size of memory segment */

         unsigned long type;             /* type of memory segment */

     } map[E820MAX];

};

extern struct e820map e820;

     其中，E820MAX被定义为32。从这个数据结构的定义可以看出，每个e820entry都是对一个物理区间的描述，并且一个物理区间必须是同一类型。如果有一片地址连续的物理内存空间，其一部分是RAM，而另一部分是ROM，那就要分成两个区间。即使同属RAM，如果其中一部分要保留用于特殊目的，那也属于不同的一个分区。在e820.h文件中定义了4种不同的类型：

   

#define E820_RAM        1

#define E820_RESERVED   2

#define E820_ACPI       3 /* usable as RAM once ACPI tables have been read */

#define E820_NVS        4

#define HIGH_MEMORY     (1024*1024)

    其中E820_NVS表示“Non-Volatile Storage”,即“不挥发”存储器，包括ROM、EPROM、Flash存储器等。

在PC中，对于最初1MB存储空间的使用是特殊的。开头640KB（0x0~0x9FFFF为RAM，从0xA0000开始的空间则用于CGA、EGA、VGA等图形卡。现在已经很少使用这些图形卡，但是不管是什么图形卡，开机时总是工作于EGA或VGA模式。从0xF0000开始到0xFFFFF，即最高的4KB，就是在EPROM或Flash存储器中的BIOS。所以，只要有BIOS存在，就至少有两个区间，如果nr_map小于2，那就一定出错了。由于BIOS的存在，本来连续的RAM空间就不连续了。当然，现在已经不存在这样的存储结构了。1MB的边界早已被突破，但因为历史的原因，把1MB以上的空间定义为“HIGH­­_MEMORY”，这个称呼一直沿用到现在，于是代码中的常数HIGH­­_MEMORY就定义为“1024´1024”。现在，配备了128MB的内存已经是很普遍了。但是，为了保持兼容，就得留出最初1MB的空间。

这个阶段初始化后，物理内存中内核映像的分布如图6.8所示：

        图6.8 内核映象在物理内存中的分布

符号_text对应物理地址0x00100000，表示内核代码的第一个字节的地址。内核代码的结束位置用另一个类似的符号_etext表示。内核数据被分为两组：初始化过的数据和未初始化过的数据。初始化过的数据在_etext后开始，在_edata处结束，紧接着是未初始化过的数据，其结束符号为_end，这也是整个内核映像的结束符号。

图中出现的符号是由编译程序在编译内核时产生的。你可以在System.map文件中找到这些符号的线性地址（或叫虚拟地址），System.map是编译内核以后所创建的。