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2012-04-27 09:53:51

原文地址:Linux高端内存 作者:djkpengjun

高端内存是指物理地址大于 896M 的内存。

  对于这样的内存,无法在“内核直接映射空间”进行映射。

  为什么?

  因为“内核直接映射空间”最多只能从 3G 到 4G,只能直接映射 1G 物理内存,对于大于 1G 的物理内存,无能为力。

  实际上,“内核直接映射空间”也达不到 1G, 还得留点线性空间给“内核动态映射空间” 呢。

  因此,Linux 规定“内核直接映射空间” 最多映射 896M 物理内存。

  对 于高端内存,可以通过 alloc_page() 或者其它函数获得对应的 page,但是要想访问实际物理内存,还得把 page 转为线性地址才行(为什么?想想 MMU 是如何访问物理内存的),也就是说,我们需要为高端内存对应的 page 找一个线性空间,这个过程称为高端内存映射。

  高端内存映射有三种方式:

  1、映射到“内核动态映射空间”

  这种方式很简单,因为通过 vmalloc() ,在”内核动态映射空间“申请内存的时候,就可能从高端内存获得页面(参看 vmalloc 的实现),因此说高端内存有可能映射到”内核动态映射空间“ 中。

  2、永久内核映射

  如果是通过 alloc_page() 获得了高端内存对应的 page,如何给它找个线性空间?

  内核专门为此留出一块线性空间,从 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START ,用于映射高端内存。在 2.4 内核上,这个地址范围是 4G-8M 到 4G-4M 之间。这个空间起叫“内核永久映射空间”或者“永久内核映射空间”

  这个空间和其它空间使用同样的页目录表,对于内核来说,就是 swapper_pg_dir,对普通进程来说,通过 CR3 寄存器指向。

  通常情况下,这个空间是 4M 大小,因此仅仅需要一个页表即可,内核通过来 pkmap_page_table 寻找这个页表。

  通过 kmap(), 可以把一个 page 映射到这个空间来

  由于这个空间是 4M 大小,最多能同时映射 1024 个 page。因此,对于不使用的的 page,及应该时从这个空间释放掉(也就是解除映射关系),通过 kunmap() ,可以把一个 page 对应的线性地址从这个空间释放出来。

  3、临时映射

  内核在 FIXADDR_START 到 FIXADDR_TOP 之间保留了一些线性空间用于特殊需求。这个空间称为“固定映射空间”

  在这个空间中,有一部分用于高端内存的临时映射。

  这块空间具有如下特点:

  1、 每个 CPU 占用一块空间

  2、 在每个 CPU 占用的那块空间中,又分为多个小空间,每个小空间大小是 1 个 page,每个小空间用于一个目的,这些目的定义在 kmap_types.h 中的 km_type中。

  当要进行一次临时映射的时候,需要指定映射的目的,根据映射目的,可以找到对应的小空间,然后把这个空间的地址作为映射地址。这意味着一次临时映射会导致以前的映射被覆盖。

  通过 kmap_atomic() 可实现临时映射。

  下图简单简单表达如何对高端内存进行映射

  -------------------------

  高端内存含义为:线性地址空间 PAGE_OFFSET + 896M 至4G的最后128M线性地址 <==映射==> 896M以上的物理页框,非直接映射。有3种方法:非连续内存区映射,永久内核映射,临时内核映射(固定映射)

  从 PAGE_OFFSET开始的线性地址区域为:

  PAGE_OFFSET(3G)|物理内存映射 --8M-- vmalloc区 --4K-- vmalloc区 --8K-- 永久内核映射--临时内核映射(固定映射)|4G

  1. 非连续区映射

  1.1 每个非连续内存区都对应一个类型为 vm_struct的描述符,通过next字段,这些描述符被插入到一个vmlist链表中。

  1.2 三种非连续区的类型:

  VM_ALLOC   -- 物理内存(调用alloc_page)和线性地址同时申请,物理内存是 __GFP_HIGHMEM类型(分配顺序是HIGH, NORMAL, DMA )(可见vmalloc不仅仅可以映射__GFP_HIGHMEM页框,它的主要目的是为了将零散的,不连续的页框拼凑成连续的内核逻辑地址空间...)

  VM_MAP     -- 仅申请线性区,物理内存另外申请,是VM_ALLOC的简化版

  VM_IOREMAP -- 仅申请线性区,物理内存另外申请(这里的物理内存一般都是高端内存,大于896M的内存)

  2. 永久内核映射

  2.1 永久内存映射允许建立长期映射。使用主内核页表中swapper_pg_dir的一个专门页表。

  pkmap_page_table: 专门的页表。页表表项数由LAST_PKMAP(512或1024)产生。

  page_address_htable: 存放地址的

  pkmap_count: 包含LAST_PKMAP个计数器的数组。

  PKMAP_BASE: 页表线性地址从PKMAP_BASE开始。

  2.2 如果LAST_PKMAP个项都用完,则把当前进程置为 TASK_UNINTERRUPTIBLE,并调用schedule()

  3. 临时内存映射

  3.1 可以用在中断处理函数和可延迟函数的内部,从不阻塞。因为临时内存映射是固定内存映射的一部分,一个地址固定给一个内核成分使用。

  3.2 每个CPU都有自己的一个13个窗口(一个线性地址及页表项)的集合。

  enum km_type {

  KM_BOUNCE_READ,

  KM_SKB_SUNRPC_DATA,

  KM_SKB_DATA_SOFTIRQ,

  KM_USER0,

  KM_USER1,

  KM_BIO_SRC_IRQ,

  KM_BIO_DST_IRQ,

  KM_PTE0,

  KM_PTE1,

  KM_IRQ0,

  KM_IRQ1,

  KM_SOFTIRQ0,

  KM_SOFTIRQ1,

  KM_TYPE_NR

  };

  所有固定映射的固定线性地址

  enum fixed_addresses {

  FIX_HOLE,

  FIX_VSYSCALL,

  ....

  #ifdef CONFIG_HIGHMEM

  FIX_KMAP_BEGIN,    /* reserved pte's for temporary kernel mappings */

  FIX_KMAP_END = FIX_KMAP_BEGIN+(KM_TYPE_NR*NR_CPUS)-1,

  #endif

  .......

  __end_of_permanent_fixed_addresses,

  /* temporary boot-time mappings, used before ioremap() is functional */

  #define NR_FIX_BTMAPS    16

  FIX_BTMAP_END = __end_of_permanent_fixed_addresses,

  FIX_BTMAP_BEGIN = FIX_BTMAP_END + NR_FIX_BTMAPS - 1,

  FIX_WP_TEST,

  __end_of_fixed_addresses

  };

  3.3 注意 fixed_addresses 的地址从上至下是倒着的,FIX_HOLE的地址等于 0xfffff000,是一个洞

  #define __fix_to_virt(x)    (FIXADDR_TOP - ((x) << PAGE_SHIFT))

  #define __FIXADDR_TOP    0xfffff000

  -------------------------

  VMALLOC_RESERVE和896M

  LINUX 内核虚拟地址空间到物理地址空间一般是固定连续影射的。

  假定机器内存为512M,

  从 3G开始,到3G + 512M 为连续固定影射区。zone_dma, zone_normal为这个区域的。固定影射的VADDR可以直接使用(get a free page, then use pfn_to_virt()等宏定义转换得到vaddr)或用kmalloc等分配. 这样的vaddr的物理页是连续的。得到的地址也一定在固定影射区域内。

  如果内存紧张,连续区域无法满足,调用vmalloc分配是必须的,因为它可以将物理不连续的空间组合后分配,所以更能满足分配要求。vmalloc可以映射高端页框,也可以映射底端页框。vmalloc的作用只是为了提供逻辑上连续的地址。。。

  但 vmalloc分配的vaddr一定不能与固定影射区域的vaddr重合。因为vaddr到物理页的影射同时只能唯一。所以vmalloc得到的 vaddr要在3G + 512m 以上才可以。也就是从VMALLOC_START开始分配。 VMALLOC_START比连续固定影射区大最大vaddr地址还多8-16M(2*VMALLOC_OFFSET)--有个鬼公式在

  #define VMALLOC_OFFSET   8*1024

  #define VMALLOC_START   (high_memory - 2*VMALLOC_OFFSET) & ~(VMALLOC_OFFSET-1)

  high_memory 就是固定影射区域最高处。

  空开8-16M做什么? 为了捕获越界的mm_fault.

  同样,vmalloc每次得到的VADDR空间中间要留一个PAGE的空(空洞),目的和上面的空开一样。你vmalloc(100)2次,得到的2个地址中间相距8K。

  如果连续分配无空洞,那么比如

  p1=vmalloc(4096);

  p2=vmalloc(4096);

  如果p1使用越界到p2中了,也不会mm_falut. 那不容易debug.

  下面说明VMALLOC_RESERVE和896M的问题。

  上面假设机器物理512M的case. 如果机器有1G物理内存如何是好?那vmalloc()的vaddr是不是要在3G + 1G + 8M 空洞以上分配?超过寻址空间了吗。

  这时,4G 下面保留的VMALLOC_RESERVE 128m 就派上用场了。

  也就是说如果物理内存超过896M, high_memory也只能在3G + 896地方。可寻址空间最高处要保留VMALLOC_RESREVE 128M给vmalloc用。

  所以这128M的VADDR空间是为了vmalloc在物理超过了896M时候使用。如果物理仅仅有512M, 一般使用不到。因为VMALLOC_START很低了。如果vmalloc太多了才会用到。

  high_memory在arch/i386/kernel, mm的初始化中设置。根据物理内存大小和VMALLOC_RESERVE得到数值.

  所以说那128M的内核线性地址仅仅是为了影射1G以上的物理内存的不对的。如果物理内存2G,1G以下的vmalloc也用那空间影射。总之,内核的高端线性地址是为了访问内核固定映射以外的内存资源

  看vmalloc分配的东西可以用

  show_vmalloc()

  {

  struct vm_struct **p, *tmp;

  for(p = &vmlist; (tmp = *p); p = &tmp->next) {

  printk("%p %p %d\n", tmp, tmp->addr, tmp->size

  }

  }

  用户空间当然可以使用高端内存,而且是正常的使用,内核在分配那些不经常使用的内存时,都用高端内存空间(如果有),所谓不经常使用是相对来说的,比如内核的一些数据结构就属于经常使用的,而用户的一些数据就属于不经常使用的。

  用户在启动一个应用程序时,是需要内存的,而每个应用程序都有3G的线性地址,给这些地址映射页表时就可以直接使用高端内存。

  而且还要纠正一点的是:那128M线性地址不仅仅是用在这些地方的,如果你要加载一个设备,而这个设备需要映射其内存到内核中,它也需要使用这段线性地址空间来完成,否则内核就不能访问设备上的内存空间了。

  总之,内核的高端线性地址是为了访问内核固定映射以外的内存资源

  实际上高端内存是针对内核一段特殊的线性空间提出的概念,和实际的物理内存是两码事。进程在使用内存时,触发缺页异常,具体将哪些物理页映射给用户进程是内核考虑的事情。在用户空间中没有高端内存这个概念。

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