Linux驱动学习12（初步认识内存管理）

一、MMU的基本知识

1.内存管理单元简称mmu，她负责虚拟地址到真实物理地址的转换，并且提供了硬件机制以检查内存

访问权限，同时对Cache缓存进行控制。

2.现代计算机多进程操作系统通过mmu使得各个进程用户都拥有独立的地址空间，从一个进程来看。

都拥有4G（32位cpu）的地址空间，其中0-3G 属于用户空间，3-4G 属于内核空间。

3.各个进程得以正常运行的原因就是mmu提供的内存访问权限检查的硬件机制，她可以保护进程不受

破坏。

4.TTB（Translation Table Base）：表示存放在存储器上的页表的地址。

5.TLB（Translation LookasideBuffer）：他缓存了少量的虚拟地址到物理地址的转换关系，是地址转

换表的缓存，也称为快表。

6.TTW（Translation Tablewalk）：当上面提到的TLB中没有转换关系的时候，那么就需要通过TTW来遍

历存储器上面存储的页表TTB（Translation Table Base）.当TTW访问成功后，应该把该结果放入TLB中。

上面这张图很好的阐述了处理器、mmu、存储器之间的框架关系。

下面还有张图，是代码流程图。

二、内存分配函数
1、static inline void *kmalloc(size_t size,gfp_t flags)
/*
size :表示分配的内存大小
通常size大小为一些固定的值，linux内核为size大小提供了如下的取值
32B、64B、128B、256B、512B、1KB、2KB、4KB、8KB、16KB、32KB、64KB、128KB
flags：表示分配标志
通常使用如下标志：
进程上下文，可以睡眠 GFP_KERNEL
进程上下文，不可以睡眠 GFP_ATOMIC
中断处理程序 GFP_ATOMIC
软中断 GFP_ATOMIC
Tasklet GFP_ATOMIC
用于DMA的内存，可以睡眠 GFP_DMA | GFP_KERNEL
用于DMA的内存，不可以睡眠 GFP_DMA | GFP_ATOMIC
*/
1.保证分配的内存在物理上是连续的，虚拟地址上自然也是连续的；
2.当使用DMA访问内存的时候，是要求该片内存在物理上是连续的，所以应该使用该种分配内存方式；
3.void kfree(const void *ptr)释放由kmalloc()分配出来的内存块；
调用流程：

static inline void *kmalloc(size_t size,gfp_t flags)
▼
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);
该函数可分配多个页并返回分配内存的首地址，分配的页数为 2的order次幂，分配的页不清零
▼
struct page * alloc_pages(int gfp_mask, unsigned long order);
该函数返回了分配的第一个页的描述符而非首地址

2、
void *vmalloc(size_t size)

1.保证分配的内存在虚拟上是连续的，物理上不能保证；
2.void vfree(void *addr)，这个函数可以睡眠，因此不能从中断上下文调用。
3.vmalloc不能用在原子上下文中，因为它的内部实现使用了标志为 GFP_KERNEL 的
kmalloc()。
4.vmalloc比 kmalloc要慢，因为他调用了kmalloc。
调用流程：
void *vmalloc(size_t size)
▼
static inline void *kmalloc(size_t size,gfp_t flags)
▼
unsigned long __get_free_pages(gfp_t gfp_mask, unsigned int order);
该函数可分配多个页并返回分配内存的首地址，分配的页数为 2的order次幂，分配的页不清零
▼
struct page * alloc_pages(int gfp_mask, unsigned long order);

3、获取某一页在内核中的虚拟地址函数
/**
* page_address - get the mapped virtual address of a page
* @page: &struct page to get the virtual address of
*
* Returns the page's virtual address.
*/
void *page_address(struct page *page)

4、kmalloc、vmalloc和malloc的区别：


[*]kmalloc和 vmalloc 是分配的是内核的内存,malloc分配的是用户的内存 [*]kmalloc保证分配的内存在物理上是连续的,vmalloc保证的是在虚拟地址空间上的连续,malloc不保
证任何东西 (这点是自己猜测的,不一定正确) [*]kmalloc能分配的大小有限,vmalloc和 malloc 能分配的大小相对较大 [*]内存只有在要被DMA 访问的时候才需要物理上连续 [*]vmalloc比kmalloc 要慢

三、内存分配方法
1.代码实例（按页分配）：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>#define SWITCH 1struct page *p;
char *s;static int __init mem_test_init(void)
{unsigned long VA,PA;printk("<1>""module init \n"); #if SWITCHp = alloc_pages(GFP_KERNEL,1);  //分配一页if(NULL == p){printk("<1>""alloc pages error ! \n"); return -ENOMEM;   }s = page_address(p);            //获取该页的首地址#elses = (char *)__get_free_pages(GFP_KERNEL,1);     //分配一页，返回该页首地址if(NULL == s){printk("<1>""get free pages error ! \n");return -ENOMEM;    }#endifPA = __pa((unsigned long)s);            //获取s对应的物理地址VA = __va((unsigned long)__va(PA));     //获取s的虚拟地址，注意返回的地址不一定是虚拟地址printk("<1>""s is %p \n",s);printk("<1>""PA is %x \n",PA);printk("<1>""VA is %x \n",VA);  return 0;
}
static void __exit mem_test_exit(void)
{#if SWITCH__free_pages(p, 1);#elsefree_pages((unsigned long)s, 1);#endif     printk("<1>""module exit \n");
}module_init(mem_test_init);
module_exit(mem_test_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("shopping");

当switch等于0时，结果如下：

module init
s is f3c58000
PA is 33c58000
VA is b3c58000

当switch等于1时，结果如下：

module init
s is ea9b8000
PA is 2a9b8000
VA is aa9b8000

很奇怪的是，第一个地址和第三个地址竟然不等？这个问题暂时还没有解决，只能先放一放了。

2.代码实例（kmalloc分配）：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>
char *s;
static int __init mem_test_init(void)
{unsigned long VA,PA;printk("<1>""module init \n"); s = (char*)kmalloc(2,GFP_KERNEL);if(NULL == s){printk("<1>""kmalloc error \n");    return -ENOMEM;   }memcpy(s,"this is mem test",30);printk("<1>""%s \n",s);return 0;
}
static void __exit mem_test_exit(void)
{ kfree(s);printk("<1>""module exit \n");
}module_init(mem_test_init);
module_exit(mem_test_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("shopping");

上面我确实在kmalloc中只分配2字节，但是最终写得时候，还是打印成功了

module init
this is mem test

这说明该函数确实至少默认分配32字节（这个和架构体系有关）

3.接下来看讨论的最后一种内存分配方式（vmalloc）

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>
char *s;
static int __init mem_test_init(void)
{unsigned long VA,PA;printk("<1>""module init \n"); s = (char*)vmalloc(30);if(NULL == s){printk("<1>""kmalloc error \n");    return -ENOMEM;   }memcpy(s,"this is mem test",30);printk("<1>""%s \n",s);return 0;
}
static void __exit mem_test_exit(void)
{ vfree(s);printk("<1>""module exit \n");
}module_init(mem_test_init);
module_exit(mem_test_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("shopping");

当指定的size没有真够大的连续空间时，这个函数就会像捡破烂一样，东捡一块西捡一块，凑成满足大
小的物理内存，并连在一起形成连续的虚拟内存再把首地址返回，所以这个函数的操作很麻烦，出于性
能的考虑，能不用的话尽量不用

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