Linux 内存管理

内存管理子系统：

内存 是 Linux 内核所管理的最重要的资源之一；

内存管理子系统 是操作系统中最重要的部分之一.

对于立志从事内核开发的工程师来说，熟悉Linux 的内存管理系统非常重要.

地址类型：

1，物理地址：

物理地址是指出现在 CPU 地址总线上的 寻址物理内存的地址信号，

是地址变换的最终结果；

2，线性地址 ( 虚拟地址 )：

线性地址又名 虚拟地址，在 32 位 CPU 架构下，可以表示 4G 的地址空间，

用 16进制 表示就是 0x00000000 到 0xFFFFFFFF.

3，逻辑地址：

程序代码经过编译后，在汇编程序中使用的地址；

地址转换：

CPU 要将一个 逻辑地址   转换为   物理地址，

需要两步：

首先 CPU 利用 段式内存管理 单元，将逻辑地址 转换成线性地址；

再利用 页式内存管理 单元，把 线性地址 最终转换为 物理地址.

段式管理：

十六 位 CPU ：

16 位 CPU 内部拥有 20 位的地址线，它的寻址范围就是 2 的 20 次方，也就是 1M 的内存空间.

但是 16 位 CPU 用于存放地址 寄存器 ( IP , SP ......)只有 16位，因此只能访问 65536 个存储单元，64K.

为了能够访问 1M 的内存空间，CPU 就采用了 内存分段 的管理模式，并在 CPU 内部加入了段寄存器.

16 位 CPU 把 1M 内存空间分为若干个逻辑段，

每个逻辑段的要求如下：

1，逻辑段的起始地址 ( 段地址 ) 必须是 16 的倍数，即 最后 4 个 二进制位必须全为 0.

2，逻辑段 的最大容量为 64 K.

物理地址的形成方式：

由于段地址 必须是 16 的倍数，所以值的一般形式 为 XXXX0H ， 即 前 16 位 二进制是变化的，后 4 位 是固定的.

鉴于段地址的这种特性，可以只保存前 16 位 二进制来保存整个段基地址，

所以每次使用时要用段寄存器左移补 4 个 0  ( 乘以16 ) ，来得到实际的段地址.

在确定了某个存储单元所属的段后，只是知道了该存储单元所属的范围 ( 段地址 -> 段地址 + 65536 )，

如果想确定 该内存单元的具体位置，还必须知道 该单元在内存的偏移，有了段地址 和偏移量，

就可以唯一的 确定内存单元在 存储器中的具体位置.

逻辑地址 = 段基地址 + 段内偏移量

由 逻辑地址 得到 物理地址 的公式为：

PA = 段寄存器的值 * 16 + 逻辑地址

段寄存器是为了对内存进行分段管理而增加的，

16位 CPU 有四个段寄存器，

程序可同时访问四个不同含义的段：

1，CS + IP ：

用于代码段的访问， CS 指向 存放程序的段基址， IP 指向下条要执行的指令在 CS 段的偏移量，

用这两个 寄存器就可以得到一个内存物理地址，该地址存放着一条要执行的指令.

2，SS + SP ：

用于堆栈段的访问， SS 指向栈顶，

 可以通过 SS 和 SP 两个寄存器直接访问栈顶单元的内存物理位置.

3，DS + BX ：

用于数据的访问. DS 中的值左移四位得到数据段起始地址，再加上 BX 中的偏移量，

得到一个存储单元 的物理地址.

4，ES + BX ：

用于附加段的访问. ES 中的值在 左移四位 得到 附加段起始地址，再加上 BX 中的偏移量，

得到一个存储单元的 物理地址.

三十二 位 CPU：

32 位 PC 的内存管理仍然采用 " 分段 " 的管理模式，逻辑地址同样由段地址和偏移量两部分组成，

32 位 PC 的内存管理和 16 位 PC 的内存管理有 相同 和不同之处，因为 32位 PC 采用了两种不同的工作模式：

实模式 和 保护模式.

实模式：

在实模式下， 32 位 CPU 的内存管理 与 16 位 CPU 是一致的.

保护模式：

段基地址长达 32 位，每个 段的最大容量可达 4G ，段寄存器的值是段地址的 “ 选择器 ” ( Selector )，

用该 “选择器” 从内存中得到一个 32 位的段地址，存储单元的物理地址就是 该段地址加上 段内偏移量，

这与 32 位 CPU 的物理地址计算方式完全不同.

三十二  位 CPU 内有 6 个段寄存器

其值在不同的模式下具有不同的意义：

1，在实模式下：

段寄存器的值 * 16 就是 段地址.

2，在保护模式下：

段寄存器的值是一个选择器，间接指出一个 32 位 的段地址.

分页管理：

从管理 和效率 的角度出发，线性地址 被分为固定长度的组，称为 页 ( page )，

例如： 32 位的机器，线性地址最大可为 4G ，如果用 4K 为一个页 来划分，

这样整个线性地址就被划分为 2 的 20 次方个页.

另一类 “ 页 ” ，称之为 物理页，或者是 页框、页帧.

分页单元把所有的 物理内存 也划分为固定的长度的管理单位，

它的长度一般与线性地址页是相同的.

Linux 内存管理：

Linux 内核 的设计并没有全部采用 Intel 所提供的段机制，

仅仅是 有限度的 使用了分段机制，这不仅简化了 Linux 内核的设计，

而且 为把 Linux 移植到其他平台创造了条件，因为 很多的 RISC 处理器并不支持段机制.

所有段的基地址均为0

由此可以得出，每个段的逻辑地址空间范围 为 0 - 4 GB，

因为每个段的基地址为 0 ，因此，逻辑地址 与 线性地址保持一致 ( 即 逻辑地址 的偏移量 字段的值 与 线性地址的值 总是 相同的 )，

在 Linux 中所提到的 逻辑地址 和线性地址 ( 虚拟地址 )，可以认为是 一致的.

看来 ， Linux 巧妙的把 段机制给绕过去了，而 完全利用了分页机制.

Linux 页式管理：