深入理解Linux内存映射机制 (1)

一. 绪 论
二. X86的硬件寻址方法
三. 内核对页表的设置
四. 实例分析映射机制

一. 绪 论
我们经常在程序的反汇编代码中看到一些类似0x32118965这样的地址，操作系统中称为线性地址，或虚拟地址。虚拟地址有什么用？虚拟地址又是如何转换为物理内存地址的呢？本章将对此作一个简要阐述。
1.1 Linux内存寻址概述
现代意义上的操作系统都处于32位保护模式下。每个进程一般都能寻址4G的物理空间。但是我们的物理内存一般都是几百M，进程怎么能获得4G的物理空间呢？这就是使用了虚拟地址的好处，通常我们使用一种叫做虚拟内存的技术来实现，因为可以使用硬盘中的一部分来当作内存使用。例外一点现在操作系统都划分为系统空间和用户空间，使用虚拟地址可以很好的保护内核空间被用户空间破坏。
对于虚拟地址如何转为物理地址,这个转换过程有操作系统和CPU共同完成. 操作系统为CPU设置好页表。CPU通过MMU单元进行地址转换。
1.2 浏览内核代码的工具
现在的内核都很大， 因此我们需要某种工具来阅读庞大的源代码体系，现在的内核开发工具都选用vim ctag cscope浏览内核代码，网上已有现成的makefile文件用来生成ctags/cscope/etags。
一、用法：
找一个空目录，把附件Makefile拷贝进去。然后在该目录中选择性地运行如下make命令：
$ make
将处理/usr/src/linux下的源文件，在当前目录生成ctags, cscope
注：SRCDIR用来指定内核源代码目录，如果没有指定，则缺省为/usr/src/linux/
1) 只创建ctags
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/ tags
2) 只创建cscope
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/ cscope
3) 创建ctags和cscope
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/
4) 只创建etags
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/ TAGS

二、处理时包括的内核源文件：
1) 不包括drivers，sound目录
2) 不包括无关的体系结构目录
3) fs目录只包括顶层目录和ext2，proc目录

三、最简单的ctags命令
1) 进入
进入vim后，用
:tag func_name
跳到函数func_name
2) 看函数（identifier）
想进入光标所在的函数，用
CTRL ]
3) 回退
回退用 CTRL T

1.3 内核版本的选取
本次论文分析， 我选取的是linux-2.6.10版本的内核。最新的内核代码为2.6.25。但是现在主流的服务器都使用的是RedHat AS4的机器，它使用2.6.9的内核。我选取2.6.10是因为它很接近2.6.9，现在红帽企业Linux 4以Linux2.6.9内核为基础，是最稳定、最强大的商业产品。在2004年期间，Fedora等开源项目为Linux 2.6内核技术的更加成熟提供了一个环境，这使得红帽企业 Linux v.4内核可以提供比以前版本更多更好的

功能和算法，具体包括:
• 通用的逻辑CPU调度程序：处理多内核和超线程CPU。
• 基于对象的逆向映射虚拟内存：提高了内存受限系统的性能。
• 读复制更新：针对操作系统数据结构的SMP算法优化。
• 多I/O调度程序：可根据应用环境进行选择。
• 增强的SMP和NUMA支持：提高了大型服务器的性能和可扩展性。
• 网络中断缓和（NAPI）：提高了大流量网络的性能。
Linux 2.6 内核使用了许多技术来改进对大量内存的使用，使得 Linux 比以往任何时候都更适用于企业。包括反向映射（reverse mapping）、使用更大的内存页、页表条目存储在高端内存中，以及更稳定的管理器。因此，我选取linux-2.6.10内核版本作为分析对象。

二. X86的硬件寻址方法
请参考Intel x86手册^_^

三. 内核对页表的设置
CPU做出映射的前提是操作系统要为其准备好内核页表，而对于页表的设置，内核在系统启动的初期和系统初始化完成后都分别进行了设置。
3.1 与内存映射相关的几个宏
这几个宏把无符号整数转换成对应的类型
#define __pte(x) ((pte_t) { (x) } )
#define __pmd(x) ((pmd_t) { (x) } )
#define __pgd(x) ((pgd_t) { (x) } )
#define __pgprot(x) ((pgprot_t) { (x) } )

根据x把它转换成对应的无符号整数
#define pte_val(x) ((x).pte_low)
#define pmd_val(x) ((x).pmd)
#define pgd_val(x) ((x).pgd)
#define pgprot_val(x) ((x).pgprot)

把内核空间的线性地址转换为物理地址
#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)

把物理地址转化为线性地址
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x) PAGE_OFFSET))

x是页表项值， 通过pte_pfn得到其对应的物理页框号， 最后通过pfn_to_page得到对应的物理页描述符
#define pte_page(x) pfn_to_page(pte_pfn(x))

如果对应的表项值为0， 返回1
#define pte_none(x) (!(x).pte_low)

x是页表项值， 右移12位后得到其对应的物理页框号
#define pte_pfn(x) ((unsigned long)(((x).pte_low >> PAGE_SHIFT)))
根据页框号和页表项的属性值合并成一个页表项值
#define pfn_pte(pfn, prot) __pte(((pfn) << PAGE_SHIFT) | pgprot_val(prot))

根据页框号和页表项的属性值合并成一个中间表项值
#define pfn_pmd(pfn, prot) __pmd(((pfn) << PAGE_SHIFT) | pgprot_val(prot))

向一个表项中写入指定的值
#define set_pte(pteptr, pteval) (*(pteptr) = pteval)
#define set_pte_atomic(pteptr, pteval) set_pte(pteptr,pteval)
#define set_pmd(pmdptr, pmdval) (*(pmdptr) = pmdval)
#define set_pgd(pgdptr, pgdval) (*(pgdptr) = pgdval)

根据线性地址得到高10位值， 也就是在目录表中的索引
#define pgd_index(address) (((address)>>PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD-1))

根据页描述符和属性得到一个页表项值
#define mk_pte(page, pgprot) pfn_pte(page_to_pfn(page), (pgprot))
3.2内核页表的初始化
内核在进入保护模式前， 还没有启用分页功能， 在这之前内核要先建立一个临时内核

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