Linux 記憶體管理 —— 高端記憶體

0. 參考資料

在 32 位作業系統中，最大可尋址範圍為 4G，這就意味着虛拟位址空間（線性位址空間）有 4G，程序位址劃分方式是：0~3G使用者空間、3~4G核心空間，使用者程序最多隻可以通路3G線性位址空間。

ISA 總線下的直接記憶體存取（DMA）：隻能對RAM前16MB位址進行尋址；
大容量RAM的32位計算機中（<4G），CPU 不能直接通路所有的實體記憶體，線性位址大小僅為 4G，超過 4G 大小無法通路，不僅是 4G，模糊來說，1~4G空間都無法通路；

将記憶體區域進行劃分，劃分為三個管理區間：

核心和應用程式在通路記憶體時，都是操作線性位址，“均需要”借助MMU實作對應實體記憶體位址的映射。

對于核心來講，前兩個區域直接通過 -3G 的方式實作對應到實體記憶體位址的目的 —— 畢竟這樣最快！（Linux 規定這樣的直接映射範圍最大為 896MB）。那麼 ZONE_HIGHMEM 區域怎麼辦？使用者空間怎麼進行轉換？

ZONE_HIGHMEM 區域的存在，能夠幫助我們通路超過 896MB 的記憶體，大概的空間大小為 128MB。當核心想通路超過 896MB 的實體記憶體時，就借用 MMU，将某頁實體記憶體映射到高端記憶體空間（線性位址空間）中，借用這段線性位址空間，用完後便歸還，實作了使用有限的位址空間，通路所有實體記憶體的目的。
核心空間不關心0~3G的使用者空間，這塊的空間需要借助MMU完成，一般除非陷入核心，不然不會走捷徑。

針對 ZONE_HIGHMEM 區域還進行了如下劃分，劃分為了三個區域：

vmalloc：配置設定虛拟位址上連續的記憶體；
persistent kernel mappings：用于較長期的動态映射，允許核心建立高端頁框到核心虛拟位址空間的長期映射。永久核心映射不能用于中斷處理程式和可延遲函數，因為建立永久核心映射可能阻塞目前程序；
fixmaps：高端固定映射區域，其中的一部分用于建立臨時核心映射；

更具體一點，如下圖所示，小區域之間有安全區分隔：

若機器安裝的實體記憶體超過核心位址空間範圍（超過896MB，32位高端記憶體範圍是3G+896MB~4G，64位可支援超過512TB的核心位址空間範圍），就會存在高端記憶體。

層次	說明
Node（存儲節點）	CPU被劃分成多個節點，每個節點都有自己的一塊記憶體，可以參考NUMA架構有關節點的介紹
Zone（管理區）	每一個Node（節點）中的記憶體被劃分成多個管理區域（Zone），用于表示不同範圍的記憶體
Page（頁面）	每一個管理區又進一步被劃分為多個頁面，頁面是記憶體管理中最基礎的配置設定機關

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