Linux内核-内存篇

zaliasc

2023-06-04 1194 words 3 minutes

Contents

地址分类

逻辑地址：段+偏移量组成。
线性地址，即虚拟地址，一个32位无符号整数，表示高达4GB的地址空间。
物理地址，用于内存芯片级内存单元寻址。

逻辑地址 --分段--> 线性地址 -->MMU-->物理地址

分段机制

此部分可以参考 https://zhuanlan.zhihu.com/p/324210723 进行学习

一个逻辑地址由段选择符（16位）和段内偏移（32位）组成。段选择符存储在段寄存器中。80x86提供了6个段寄存器：

cs：代码段寄存器，指向包含程序指令的段。
ss：栈段寄存器，指向包含当前程序栈的段。
ds：数据段寄存器，指向包含静态数据或者全局数据段。
es fs gs：一般用途，可以指向任意段。

每个段通过一个8B大小的段描述符来描述特征。段描述符存储在全局描述符表（GDT）或局部描述符表（LDT）中。GDT通常只有一个；如果进程创建了GDT中没有的段，就拥有自己的LDT。GDT的地址和大小存放在gdtr控制寄存器，LDT的地址和大小存放在ldtr控制寄存器。

为每个段寄存器提供了一个非编程寄存器，当段寄存器内容发送变化时，将从LDT或GDT中加载对应的段描述符到对应的非编程寄存器。

段寄存器存储了段描述符在描述符表中的索引。

线性地址 = [ 段描述符 ]+段内偏移量

Linux中的分段

Linux下的逻辑地址与线性地址是一致的

用户态的所有进程，都通过用户代码段(__USER_CS)和用户数据段(__USER_DS)来寻址代码和数据。内核态的所有进程，都通过内核代码段(__KERNEL_CS)和内核数据段(__KERNEL_DS)来寻址代码和数据。

四个段都是从0x0开始，即Linux下，逻辑地址和线性地址是一致的。

CPU 的特权等级发生变化时（用户态 <–> 内核态），相应的段寄存器也要更新，（DPL字段代表访问这个段的最低优先级）。

硬件分页机制

https://zhuanlan.zhihu.com/p/480796773

线性地址->物理地址

一个关键任务：比较请求访问的类型与线性地址访问权限，若访问无效，产生缺页异常

一级页表

多级页表

第一级表称为页目录，存放在一页 4K 大小的页面中，具有 2^10 个 4 字节长度的表项。这些表象指向对应的二级表。线性地址的最高 10 位（31-22）用作以及表中的索引。

第二级称为页表，长度也是 4K 大小的一个页面，最多有 1K 个 4 字节的表项。每个 4 字节的表项含有相关页面的 20 位物理基地址。二级页表使用线性地址的中间 10 位（21-12）作为表项索引值，以获取含有页面 20 物理地址基地址的表项。该20位页面物理基地址和线性地址中的第12位（页内偏移）组合在一起就得到了分页转换过程的输出值，即对应的的最终物理地址。

对于给定的线性地址，CR3 寄存器指定页目录表的基地址。线性地址的高10位用于索引这个页目录表，以获得指向相关第二级页表的指针。线性地址空间中间10位用于索引二级页表，以获得物理地址的高20位。线性地址的第12位直接作为物理地址的第12位，从而组成一个完整的32位物理地址。

Linux分页机制

Reference

[1] 深入理解LINUX内核