Linux核心學習（3）-記憶體管理

1.分頁機制

• 虛拟記憶體通過CPU的硬體單元映射到實體記憶體中，實體記憶體也以頁為機關進行管理，稱為實體頁面(Physical Page)或者頁幀(Page Frame)。
• 程序虛拟位址空間的頁稱為虛拟頁(Virtual Page)
• 作業系統為了管理這些頁幀需要按照實體位址順序給每個頁幀編号，稱為頁幀号（Page Frame Numeber，PFN）
• CPU内部負責虛拟頁面到實體頁面轉換的硬體單元稱為記憶體管理單元(Memory Management Unit,MMU)
• ARM處理器的MMU包括TLB和Table Walk Unit，TLB是一塊高速緩存，緩存頁表轉換的結果，減少記憶體通路時間
• 一個完整的頁表翻譯和查找的過程叫做頁表查詢(Translation Table Walk)

2.虛拟位址到實體位址的轉換

當TLB未命中時，處理器按上圖流程查詢頁表

• 處理器根據頁表基位址控制寄存器TTBCR和虛拟位址判斷使用哪個頁表基位址寄存器TTBRx
• 頁表基位址寄存器中存放着一級頁表的基位址
• 處理器根據虛拟位址的bit[31:20]作為索引，在以及頁表中找到頁表項
• 一級頁表的表項中存放着二級頁表的實體基位址，虛拟位址的bit[19:12]作為索引在二級頁表中找到相應的頁表項。
• 二級頁表項裡存放着4KB實體基位址。

3.記憶體布局圖

• Linux核心包括核心模式和使用者模式
• ARM處理器的user模式共使用者程序使用，supervisor模式供核心使用；
• Linux核心通常把0~3G給使用者空間， 3GB ~ 4GB給核心空間
• Linux32位的典型記憶體空間布局圖如下

• 核心空間從3GB（0xC000000）開始，
• lowmem（0xC000000 - 0xef800000）是線性映射區，大小為760Mb
• 線性映射區即，實體記憶體線性的映射到核心空間中
• 實體位址[0:760MB]被線性映射到[3GB:3GB+760MB]的虛拟位址上
• 線性映射區虛拟位址和實體位址相差PAGE_OFFSET，3GB
• 核心空間被分為兩大區域，低端區域用于線性映射區，高端區域用于vmalloc區域及其他映射區

4.從程序角度看記憶體管理

• ELF(Executable and Linkable Format)是linux上流行的可執行檔案格式
• 用來定義不同類型的對象檔案中存放了什麼東西，以及什麼格式去存放
• 結構如下圖所示

  

• 常見的幾個段（Section)：
  1. 代碼段（.text):存放源代碼被編譯後的機器指令；
  2. 資料段（.data）:存放已經初始化的全局變量和已經初始化的局部靜态變量；
  3. bss段（.bss）：存放為初始化的全局變量和未初始化的局部靜态變量；
• 可以通過如下指令編譯成elf檔案

$ arm-linux-gnueabi-gcc -static test.c -o test.elf
           

• 可以使用readelf工具來檢視elf包含哪些段（section）

$ arm-linux-gnueabi-readelf -S test.elf
           

• 程式在編譯時盡量把相同權限屬性的段配置設定在同一個空間裡，叫做分段（Segment)
• 描述這些Segment的結構叫做程式頭(Program Header)，描述了ELF檔案是如何映射到程序位址空間的

arm-linux-gnueabi-readelf -l test.elf
           

• 可以看到上面的31個section被分為了7個segment，并表明了映射關系
• 可以通過proc檔案系統動态窺探linux核心運作情況