linux虛擬地址怎么映射物理地址

　　linux虛擬地址怎么映射物理地址這個問題大家都想知道吧?下面學習啦小編就給大家介紹下linux虛擬地址怎么映射物理地址的。

　　linux虛擬地址怎么映射物理地址

　　1. 虛擬空間（首先學習啦小編必須要給大家介紹下什么是Linux操作系統的虛擬空間）

　　0-3G 用戶空間 0x00000000 ~ 0xbfffffff

　　3-4G 內核空間 0xc0000000 ~ 0xffffffff

　　每個用戶進程都有獨立的用戶空間(虛擬地址0-3)，而內核空間是唯一的(相當于共享)

　　每個進程的用戶空間用mm_struct描述，即task_struct.mm。

　　2.進程虛擬地址的組織

　　2.1 虛擬空間、用戶空間

　　[cpp] view plaincopy

　　struct mm_struct {

　　struct vm_area_struct * mmap; /* list of VMAs */

　　...

　　pgd_t * pgd; //用于地址映射

　　atomic_t mm_users; /* How many users with user space? */

　　atomic_t mm_count; /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */

　　int map_count; /* number of VMAs */

　　...

　　//描述用戶空間的段分布：數據段，代碼段，堆棧段

　　unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;

　　unsigned long start_brk, brk, start_stack;

　　unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;

　　unsigned long rss, total_vm, locked_vm;

　　...

　　};

　　以上結構描述了進程的用戶空間的結構，其中

　　pgd_t 是該進程用戶空間地址映射到物理地址時使用

　　vm_area_struct 是進程用戶空間已映射到物理空間的虛擬地址區間，mmap是該空間區塊組成的鏈表。

　　虛擬空間的空洞：虛擬空間還未被映射的區塊(即沒有被使用)，那么就沒有vm_area_struct結構

　　2.2 內存區間

　　[cpp] view plaincopy

　　/*

　　* This struct defines a memory VMM memory area. There is one of these

　　* per VM-area/task. A VM area is any part of the process virtual memory

　　* space that has a special rule for the page-fault handlers (ie a shared

　　* library, the executable area etc).

　　*/

　　struct vm_area_struct {

　　struct mm_struct * vm_mm; /* VM area parameters */

　　unsigned long vm_start; //虛擬空間起始地址

　　unsigned long vm_end; //終止地址

　　/* linked list of VM areas per task, sorted by address */

　　struct vm_area_struct *vm_next;

　　//該區間的權限及標志

　　pgprot_t vm_page_prot;

　　unsigned long vm_flags;

　　//一些vm_area 的鏈接

　　...

　　struct vm_operations_struct * vm_ops;

　　unsigned long vm_pgoff; /* offset in PAGE_SIZE units, *not* PAGE_CACHE_SIZE */

　　struct file * vm_file; //用于將磁盤文件映射至用戶空間

　　...

　　};

　　虛擬空間區間的描述中：

　　vm_start/vm_end 為該區塊的起始和結束地址

　　vm_file 是在文件映射中使用到，即常用的mmap(fd,...)函數，簡單說即將虛擬空間映射至文件在內核的緩沖區，那么這時候訪問該虛擬空間將有別于pgd的映射。

　　vm_operations_struct 為本虛擬區間的操作，其中的nopage函數指針是處理內存缺頁而使用的。對于通用的內存映射，該缺頁處理函數為do_no_page()將虛擬地址映射到物理地址(匿名映射)：分配物理頁& 設置pgd & pte。

　　而對于mmap操作相關的虛擬地址，其缺頁處理函數將和文件系統的缺頁函數相關，filemap_nopage(),通過文件系統的缺頁從磁盤將相關文件塊加載如內核緩沖區.

　　[cpp] view plaincopy

　　struct vm_operations_struct {

　　void (*open)(struct vm_area_struct * area);

　　void (*close)(struct vm_area_struct * area);

　　struct page * (*nopage)(struct vm_area_struct * area, unsigned long address, int write_access); //缺頁操作

　　};

　　3.系統物理地址的組織

　　內核將物理地址按頁來組織，struct page描述系統的物理頁的信息，但是頁的數據內容是不在該結構中的。系統有全局數據 struct page mem_map[]，用于記錄每個物理頁。

　　頁面大小為4kb，在源碼中用體現為(PAGE_SHIFT = 12)

　　[cpp] view plaincopy

　　/*

　　* Try to keep the most commonly accessed fields in single cache lines

　　* here (16 bytes or greater). This ordering should be particularly

　　* beneficial on 32-bit processors.

　　*

　　* The first line is data used in page cache lookup, the second line

　　* is used for linear searches (eg. clock algorithm scans).

　　*/

　　typedef struct page {

　　struct list_head list;

　　struct address_space *mapping;

　　unsigned long index;

　　struct page *next_hash;

　　atomic_t count;

　　unsigned long flags; /* atomic flags, some possibly updated asynchronously */

　　struct list_head lru;

　　unsigned long age;

　　wait_queue_head_t wait;

　　struct page **pprev_hash;

　　struct buffer_head * buffers;

　　void *virtual; /* non-NULL if kmapped */

　　struct zone_struct *zone;

　　} mem_map_t;

　　struct page是用于描述一個物理頁面，該結構僅僅是作為描述，也就是說該頁面的4kb數據時存儲于某個連續的4kb的物理空間(由MMU決定，具體見下文)。其中：

　　lru 頁面緩沖的調度策略(最少使用優先)

　　題外話：

　　page也可以用于文件緩沖，相關參數及作用：

　　buffer_head 是和設備文件相關的操作，例如在文件系統中，file的一個page有4個塊，這些塊就存儲于buffer_head鏈表指定的內存中。

　　index 在文件系統中是用于file緩沖的頁號。

　　3.1 用戶空間頁面目錄(映射關系)

　　進程的虛擬空間描述中，pgd是用于頁式存儲的映射使用。當內核發生進程切換時，將新進程的pgd載入CR3寄存器，CPU中的MMU單元依據CR3寄存器進行頁面映射。

　　pgd，pmd和pte可以看做是數組，為進程的地址空間到物理空間實現映射。其中虛擬地址的高位地址決定pgd，中間段地址決定pmd，而低位地址決定pte，pte是“page table entry”。

　　最終定位的pte中存放的即為對應物理頁面的指針。[cpp] view plaincopy

　　typedef struct { unsigned long pte; } pte_t;

　　typedef struct { unsigned long pmd; } pmd_t;

　　typedef struct { unsigned long pgd; } pgd_t;

　　typedef struct { unsigned long pgprot; } pgprot_t; //操作標志

　　3.2用戶空間的映射：

　　1. 用戶空間的虛擬地址vaddr通過MMU(pgd，pmd，pte)找到對應的頁表項x(即為物理地址)

　　2. 頁表項x的高20位是物理也好，物理頁號index = x >> PAGE_SHIFT， 同理，index后面補上12個0就是物理頁表的首地址。

　　3. 通過物理頁號，我們可以再內核中找到該物理頁的描述的指針mem_map[index]，當然這個指針是虛擬地址，page結構見上文。

　　3.3內核空間虛擬地址的映射：

　　內核空間與物理地址之間有直接的映射關系，而不需要向用戶空間那樣通過mmu(pgd)。系統空間映射(3G開始)到物理空間0G起始：

　　例如：

　　系統內核映像載入的虛擬地址為3G+1M的起始地址，那么對應的物理地址為1M。

　　緊接著分配在3G+2M開始分配了8M的虛擬地址(物理地址為2-9M)用于PDG

　　之后預留了16M空間用DMA于存儲。

　　而全局的page結構的mem_page[]數組是在0xc1000000開始的。

　　所以內核空間虛擬地址到物理地址的轉換為：

　　[cpp] view plaincopy

　　PAGE_OFFSET = 3GB

　　vitr_to_phys(kadd)

　　return vadd - PAGE_OFFSET

　　內核空間的虛擬地址vaddr是通過如下方式找到它對應物理地址的page結構：

　　vitr_to_page(vadd)

　　index = virt_to_phys(kadd) >> PAGE_SHIFT

　　return mem_map[index]

　　4. 相關數據結構關系圖

　　說明：

　　1. 黑色+紅色 箭頭展示了虛擬地址空間到物理空間的映射關系

　　2. 藍色箭頭涉涉及到文件的映射操作mmap()，相比匿名映射，文件映射多了文件層的磁盤IO。