linux 物理地址和虚拟地址之间的转换

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一、 与页相关的数据结构及宏的定义
    分页机制是硬件对分页的支持，这是虚拟内存管理的硬件基础。要想使这种硬件机制充分发挥其功能，必须有相应软件的支持，我们来看一下Linux所定义的一些主要数据结构，其分布在include/asm-i386/目录下的page.h，pgtable.h及pgtable-2level.h三个文件中。
 1. 表项的定义
   如上所述，PGD、PMD及PT表的表项都占4个字节，因此，把它们定义为无符号长整数，分别叫做pgd_t、pmd_t及pte_t(pte 即Page table Entry)，在page.h中定义如下：
    typedef struct { unsignedlong pte_low; } pte_t;
    typedef struct { unsignedlong pmd; } pmd_t;
typedef struct { unsigned long pgd; }pgd_t;
    typedefstruct { unsigned long pgprot; } pgprot_t;
    可以看出，Linux没有把这几个类型直接定义长整数而是定义为一个结构，这是为了让gcc在编译时进行更严格的类型检查。另外，还定义了几个宏来访问这些结构的成分，这也是一种面向对象思想的体现：
   #definepte_val(x)      ((x).pte_low)
   #define pmd_val(x)     ((x).pmd)
   #define pgd_val(x)      ((x).pgd)
      从图2.13可以看出，对这些表项应该定义成位段，但内核并没有这样定义，而是定义了一个页面保护结构pgprot_t和一些宏：
   typedefstruct { unsigned long pgprot; } pgprot_t;
   #definepgprot_val(x)   ((x).pgprot)
  字段pgprot的值与图2.13表项的低12位相对应，其中的9位对应0～9位，在pgtalbe.h中定义了对应的宏：
  #define _PAGE_PRESENT   0×001  
  #define _PAGE_RW        0×002
  #define _PAGE_USER      0×004
  #define _PAGE_PWT       0×008
  #define _PAGE_PCD       0×010
  #define _PAGE_ACCESSED  0×020
  #define _PAGE_DIRTY     0×040
  #define _PAGE_PSE       0×080  /* 4 MB (or 2MB) page, Pentium+, if present.. */
  #define _PAGE_GLOBAL    0×100  /* Global TLB entry PPro+ */
    在你阅读源代码的过程中你能体会到，把标志位定义为宏而不是位段更有利于编码。
    另外，页目录表及页表在pgtable.h中定义如下：
     externpgd_t swapper_pg_dir[1024];
     externunsigned long pg0[1024];
     swapper_pg_dir为临时页目录表，是在内核编译的过程中被静态初始化的。pg0为初始化过程中使用的一临时页表。
 2．线性地址域的定义
    
      
（1）页偏移量的位数
  #define PAGE_SHIFT      12
  #define PAGE_SIZE       (1UL << PAGE_SHIFT)
     #define PTRS_PER_PTE    1024
  #define PAGE_MASK       (~(PAGE_SIZE-1))
   其中PAGE_SHIFT宏定义了页偏移量的位数为12，因此页大小PAGE_SIZE为212＝4096字节; PTRS_PER_PTE为页表的项数；最后PAGE_MASK值定义为0xfffff000，用以屏蔽掉偏移量域的所有位（12位）。
（2）PGDIR_SHIFT
   #define PGDIR_SHIFT     22
   #define PTRS_PER_PGD    1024
   #define PGDIR_SIZE      (1UL << PGDIR_SHIFT)
   #define PGDIR_MASK      (~(PGDIR_SIZE-1))
   PGDIR_SHIFT是页表所能映射区域线性地址的位数，它的值为22（12位的偏移量加上10位的页表）；PTRS_PER_PGD为页目录目录项数；PGDIR_SIZE为页目录的大小,为222，即4MB；PGDIR_MASK为0xffc00000，用于屏蔽偏移量位与页表域的所有位。
（3）PMD_SHIFT
#definePMD_SHIFT       22
#definePTRS_PER_PMD    1
   PMD_SHIFT为中间目录表映射的地址位数，其值也为22，但是对于两级页表结构，让其目录项个数为1，这就使得中间目录在指针序列中的位置被保存，以便同样的代码在32位系统和64位系统下都能使用。后面的讨论我们不再提及中间目录。
 
3  对页目录及页表的处理
   在page.h，pgtable.h及pgtable-2level.h三个文件中还定义有大量的宏，用以对页目录、页表及表项的处理，我们在此介绍一些主要的宏和函数。
 
  3.1.表项值的确定
   staticinline int pgd_none(pgd_t pgd)          { return 0; }
   staticinline int pgd_present(pgd_t pgd)       { return 1; }
  
   #definepte_present(x)  ((x).pte_low &(_PAGE_PRESENT | _PAGE_PROTNONE))
     pgd_none（）函数直接返回0，表示尚未为这个页目录建立映射，所以页目录项为空。pgd_present（）函数直接返回1，表示映射虽然还没有建立，但页目录所映射的页表肯定存在于内存（即页表必须一直在内存）。
pte_present宏的值为1或0，表示P标志位。如果页表项不为0，但标志位为0，则表示映射已经建立，但所映射的物理页面不在内存。
  3.2. 清相应表的表项：
  #definepgd_clear(xp)                          do { } while (0)
  #definepte_clear(xp)   do { set_pte(xp,__pte(0)); } while (0)
  pgd_clear宏实际上什么也不做，定义它可能是为了保持编程风格的一致。pte_clear就是把0写到页表表项中。
 3.3.对页表表项标志值进行操作的宏。
 这些宏的代码在pgtable.h文件中，表2.2给出宏名及其功能。
  表2.2 对页表表项标志值进行操作的宏及其功能

宏名	功能
Set_pte()	把一个具体的值写入表项
Pte_read()	返回User/Supervisor标志值（由此可以得知是否可以在用户态下访问此页）
Pte _write()	如果Present标志和Read/Write标志都为1，则返回1（此页是否存在并可写）
Pte _exec()	返回User/Supervisor标志值
Pte _dirty()	返回Dirty标志的值（说明此页是否被修改过）
Pte _young()	返回Accessed标志的值（说明此页是否被存取过）
Pte _wrprotect()	清除Read/Write标志
Pte _rdprotect()	清除User/Supervisor标志
Pte _mkwrite	设置Read/Write标志
Pte _mkread	设置User/Supervisor标志
Pte _mkdirty()	把Dirty标志置1
Pte _mkclean()	把Dirty标志置0
Pte _mkyoung	把Accessed标志置1
Pte _mkold()	把Accessed标志置0
Pte _modify(p,v)	把页表表项p的所有存取权限设置为指定的值v
mk_pte()	把一个线性地址和一组存取权限合并来创建一个32位的页表表项
pte _pte_phys()	把一个物理地址与存取权限合并来创建一个页表表项
pte _page()	从页表表项返回页的线性地址

 
   实际上页表的处理是一个复杂的过程，在这里我们仅仅让读者对软硬件如何结合起来有一个初步的认识。
三、模块编程举例

结合上面的介绍，我们编写一个内核模块，把一个给定的虚地址转换为内存的物理地址：

1. /*****************************************************************
2. 文件名：mem.c
3. 输入参数：
4. pid 接收待查询进程的PID
5. va 接收待查询的虚拟地址
6. *****************************************************************/
7. #include  <linux/module.h>
8. #include <linux/kernel.h>
9. #include <linux/init.h>
10. #include <linux/sched.h>
11. #include <linux/mm.h>
12. #include <asm/pgtable.h>
13. #include <asm/page.h>
15. MODULE_LICENSE("GPL");
16. static int pid;
17. static unsigned long va;
19. module_param(pid,int,0644);
20. module_param(va,ulong,0644);
22. static int find_pgd_init(void)
23. {
24.         unsigned long pa = 0;
25.         struct task_struct *pcb_tmp = NULL;
26.         pgd_t *pgd_tmp = NULL;
27.         pud_t *pud_tmp = NULL;
28.         pmd_t *pmd_tmp = NULL;
29.         pte_t *pte_tmp = NULL;
31.         printk(KERN_INFO"PAGE_OFFSET = 0x%lx\n",PAGE_OFFSET);
32.         printk(KERN_INFO"PGDIR_SHIFT = %d\n",PGDIR_SHIFT);
33.         printk(KERN_INFO"PUD_SHIFT = %d\n",PUD_SHIFT);
34.         printk(KERN_INFO"PMD_SHIFT = %d\n",PMD_SHIFT);
35.         printk(KERN_INFO"PAGE_SHIFT = %d\n",PAGE_SHIFT);
37.         printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PGD = %d\n",PTRS_PER_PGD);
38.         printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PUD = %d\n",PTRS_PER_PUD);
39.         printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PMD = %d\n",PTRS_PER_PMD);
40.         printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PTE = %d\n",PTRS_PER_PTE);
42.         printk(KERN_INFO"PAGE_MASK = 0x%lx\n",PAGE_MASK);
44.         if(!(pcb_tmp = find_task_by_pid(pid))) {
45.                 printk(KERN_INFO"Can't find the task %d .\n",pid);
46.                 return 0;
47.         }
48.         printk(KERN_INFO"pgd = 0x%p\n",pcb_tmp->mm->pgd);
49.                 /* 判断给出的地址va是否合法(va<vm_end)*/
50.         if(!find_vma(pcb_tmp->mm,va)){
51.                 printk(KERN_INFO"virt_addr 0x%lx not available.\n",va);
52.                 return 0;
53.         }
54.         pgd_tmp = pgd_offset(pcb_tmp->mm,va);
55.         printk(KERN_INFO"pgd_tmp = 0x%p\n",pgd_tmp);
56.         printk(KERN_INFO"pgd_val(*pgd_tmp) = 0x%lx\n",pgd_val(*pgd_tmp));
57.         if(pgd_none(*pgd_tmp)){
58.                 printk(KERN_INFO"Not mapped in pgd.\n");        
59.                 return 0;
60.         }
61.         pud_tmp = pud_offset(pgd_tmp,va);
62.         printk(KERN_INFO"pud_tmp = 0x%p\n",pud_tmp);
63.         printk(KERN_INFO"pud_val(*pud_tmp) = 0x%lx\n",pud_val(*pud_tmp));
64.         if(pud_none(*pud_tmp)){
65.                 printk(KERN_INFO"Not mapped in pud.\n");
66.                 return 0;
67.         }
68.         pmd_tmp = pmd_offset(pud_tmp,va);
69.         printk(KERN_INFO"pmd_tmp = 0x%p\n",pmd_tmp);
70.         printk(KERN_INFO"pmd_val(*pmd_tmp) = 0x%lx\n",pmd_val(*pmd_tmp));
71.         if(pmd_none(*pmd_tmp)){
72.                 printk(KERN_INFO"Not mapped in pmd.\n");
73.                 return 0;
74.         }
75.         /*在这里，把原来的pte_offset_map()改成了pte_offset_kernel*/
76.         pte_tmp = pte_offset_kernel(pmd_tmp,va);
78.         printk(KERN_INFO"pte_tmp = 0x%p\n",pte_tmp);
79.         printk(KERN_INFO"pte_val(*pte_tmp) = 0x%lx\n",pte_val(*pte_tmp));
80.         if(pte_none(*pte_tmp)){
81.                 printk(KERN_INFO"Not mapped in pte.\n");
82.                 return 0;
83.         }
84.         if(!pte_present(*pte_tmp)){
85.                 printk(KERN_INFO"pte not in RAM.\n");
86.                 return 0;
87.         }
88.         pa = (pte_val(*pte_tmp) &amp; PAGE_MASK) |(va &amp; ~PAGE_MASK);
89.         printk(KERN_INFO"virt_addr 0x%lx in RAM is 0x%lx .\n",va,pa);
90.         printk(KERN_INFO"contect in 0x%lx is 0x%lx\n",pa,
91.                 *(unsigned long *)((char *)pa + PAGE_OFFSET));
92.                                                         
93.         return 0;
95. }
97. static void  find_pgd_exit(void)
98. {
99.         printk(KERN_INFO"Goodbye!\n");
101. }
103. module_init(find_pgd_init);
104. module_exit(find_pgd_exit);

测试：打开gedit， 再打开任务管理器，查看gedit的进程号pid=12749,
右键查看其内存映射，找到一个有效的虚拟地址va=0xb8041000，然后：
sudo insmod mem.ko pid=12749 va=0xb8041000

如果你的内核是2.6.24以后的，需要将find_task_by_pid改为find_task_by_vpid
。

结果：pid=12749 va=0xb8041000