通俗易懂！高手帶你理解嵌入式Linux中高端內(nèi)存與低端內(nèi)存

高端內(nèi)存是Linux中一個(gè)重要的概念，初涉Linux時(shí)曾經(jīng)對這個(gè)概念非常迷惑。實(shí)際上這個(gè)概念比較簡單，理解這個(gè)概念，需要追溯一下Linux的內(nèi)存管理。

從前，CPU的地址總線只有32位，再早的就不再追溯了。32的地址總線無論是從邏輯上還是從物理上都只能描述4G的地址空間，在物理上理論上最多擁有4G內(nèi)存（除了IO地址空間，實(shí)際內(nèi)存容量小于4G），邏輯空間也只能描述4G的線性地址空間。為了合理的利用4G空間，Linux采用了3：1的策略，即內(nèi)核占用1G的線性地址空間，用戶占用3G的線性地址空間。所以用戶進(jìn)程的地址范圍從0~3G，內(nèi)核地址范圍從3G~4G，也就是說，內(nèi)核空間只能管理1G的內(nèi)存。

對于如此緊張的線性地址資源，內(nèi)核空間與用戶空間的肆意瓜分，導(dǎo)致了內(nèi)存管理上的問題：當(dāng)物理內(nèi)存大于1G時(shí)，內(nèi)核線性地址空間小于實(shí)際的物理內(nèi)存容量，內(nèi)核如何實(shí)現(xiàn)對大于1G內(nèi)存的管理呢？說到這里，需要提一下內(nèi)核空間對內(nèi)存的管理方法。一方面為了提高內(nèi)核空間對內(nèi)存的管理效率；另一方面，為了簡化內(nèi)核空間對內(nèi)存的管理方法，內(nèi)核采用線性映射的方法實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存的管理，從Linux實(shí)現(xiàn)的方法來看，物理地址與內(nèi)核的虛擬地址只差一個(gè)偏移量。所以，當(dāng)物理內(nèi)存大于1G時(shí)，物理內(nèi)存無法全部映射到內(nèi)核線性地址空間，這就產(chǎn)生了上述問題。

從上述描述可以看出，地址空間大于1G的內(nèi)存區(qū)域稱之為高端內(nèi)存，同理，小于1G的內(nèi)存區(qū)域稱之為低端內(nèi)存。高端內(nèi)存的管理需要進(jìn)行非線性映射，為此，在內(nèi)核線性地址空間預(yù)留了128M的空間，位于線性地址空間的高端。如今，CPU的地址總線都擴(kuò)大到64位了，線性地址資源非常豐富，所以，可以給內(nèi)核空間預(yù)留足夠的線性地址資源，在最近一段時(shí)間內(nèi)，內(nèi)核線性地址資源與物理內(nèi)存容量之間的矛盾將不再突出，高端內(nèi)存的概念也就在64位CPU上消失了。

原先一直都對Linux高端內(nèi)存的管理認(rèn)識模模糊糊的，可能主要是初次接觸linux kernel 是0.11版吧，當(dāng)初的內(nèi)存設(shè)計(jì)是16M，Linus對擁有32M的內(nèi)存都是覬覦萬分，1G內(nèi)存恐怕是天方夜譚了。16M內(nèi)存哪里還顧得上高端內(nèi)存，腦子就一直沒有這種概念。先我們還是來看看為什么要有高端內(nèi)存？

80386的線性尋址空間是4G，內(nèi)核空間從3G開始,如果全部采用"線性映射"(物理地址和邏輯地址只差一個(gè)常量 PAGE_OFFSET ),最多管理1G物理內(nèi)存，也就是1G的物理內(nèi)存挨著挨著對應(yīng)的是虛擬地址的3G到4G的位置。你想想如果多于1G的內(nèi)存，我們用什么線性地址來裝下這些多出的地址呢？ 我朋友的機(jī)器有2G,據(jù)說玩游戲巨爽(AMD64300+).顯然如果線性映射我的朋友就會浪費(fèi)1G內(nèi)存.為了使內(nèi)核能夠訪問這些"高端內(nèi)存",內(nèi)核使用HighMem.做法是不將內(nèi)核1G的虛擬地址空間全部映射成物理內(nèi)存,而是預(yù)留一部分給高端內(nèi)存做臨時(shí)映射使用.

其實(shí)內(nèi)核不僅僅預(yù)留了highmem的地址空間,還給fixmap,vmalloc預(yù)留了虛存空間.實(shí)際上,系統(tǒng)初始化的時(shí)候預(yù)留128M虛存,896M用于"直接"映射物理內(nèi)存。下面我們先貼上一幅圖，摘自《understand linux kernel 》



畢竟意淫是很考大家的空間想象能力的，所以我們還是依照圖片來看圖說話:

高端內(nèi)存映射有三種方式：

1、映射到“內(nèi)核動態(tài)映射空間”
這種方式很簡單，因?yàn)橥ㄟ^ vmalloc() ，在"內(nèi)核動態(tài)映射空間"(上圖的VMALLOC_START到VMALLOC_END)申請內(nèi)存的時(shí)候，就可能從高端內(nèi)存獲得頁面（參看 vmalloc 的實(shí)現(xiàn)），因此說高端內(nèi)存有可能映射到"內(nèi)核動態(tài)映射空間" 中。

2、永久內(nèi)核映射
如果是通過 alloc_page() 獲得了高端內(nèi)存對應(yīng)的 page，如何給它找個(gè)線性空間？
內(nèi)核專門為此留出一塊線性空間，從 PKMAP_BASE 到 FIXADDR_START (上圖的倒數(shù)第二塊區(qū)域)，用于映射高端內(nèi)存。在 2.4 內(nèi)核上，這個(gè)地址范圍是 4G-8M 到 4G-4M 之間。這個(gè)空間起叫“內(nèi)核永久映射空間”或者“永久內(nèi)核映射空間”。

這個(gè)空間和其它空間使用同樣的頁目錄表，對于內(nèi)核來說，就是 swapper_pg_dir，對普通進(jìn)程來說，通過 CR3 寄存器指向。

通常情況下，這個(gè)空間是 4M 大小，因此僅僅需要一個(gè)頁表即可，內(nèi)核通過來 pkmap_page_table 尋找這個(gè)頁表。通過 kmap()， 可以把一個(gè) page 映射到這個(gè)空間來。由于這個(gè)空間是 4M 大小，最多能同時(shí)映射 1024 個(gè) page。因此，對于不使用的的 page，及應(yīng)該時(shí)從這個(gè)空間釋放掉（也就是解除映射關(guān)系），通過 kunmap() ，可以把一個(gè) page 對應(yīng)的線性地址從這個(gè)空間釋放出來。

3、臨時(shí)映射
內(nèi)核在 FIXADDR_START 到 FIXADDR_TOP 之間保留了一些線性空間用于特殊需求。這個(gè)空間稱為“固定映射空間”
在這個(gè)空間中，有一部分用于高端內(nèi)存的臨時(shí)映射。

這塊空間具有如下特點(diǎn)：
1、每個(gè) CPU 占用一塊空間
2、在每個(gè) CPU 占用的那塊空間中，又分為多個(gè)小空間，每個(gè)小空間大小是 1 個(gè) page，每個(gè)小空間用于一個(gè)目的，這些目的定義在 kmap_types.h 中的 km_type 中。

當(dāng)要進(jìn)行一次臨時(shí)映射的時(shí)候，需要指定映射的目的，根據(jù)映射目的，可以找到對應(yīng)的小空間，然后把這個(gè)空間的地址作為映射地址。這意味著一次臨時(shí)映射會導(dǎo)致以前的映射被覆蓋.通過 kmap_atomic() 可實(shí)現(xiàn)臨時(shí)映射。
想學(xué)習(xí)的你和我聯(lián)系預(yù)約就可以免費(fèi)聽課了。
以下課程可免費(fèi)試聽C語言、電子、PCB、STM32、Linux、FPGA、JAVA、安卓等。
宋工企鵝號：3524-6590-88   Tel/WX：173--1795--1908