Linux虚拟内存管理基础v2研究报告.ppt

Linux虚拟内存管理基础篇

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用户地址空间与内核地址空间

Linux将每个进程的4GB的独立地址空间又划分为用户地址空间(0~ 0xBFFFFFFF)和 内核地址空间(0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF)两部分。

操作系统内核代码和数据存放在内核地址空间；每个进程自己私有的代码和数据存放在用户地址空间

虽然Linux的内核代码和数据被映射到了每个进程的地址空间中(所有进程看到的内容是相同的)，但在实际的物理内存中，只有内核代码和数据的一份拷贝。

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用户地址空间与内核地址空间

用户态与核心态

一般现代CPU都有几种不同的指令执行级别

在高执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址，这种CPU执行级别就对应着内核态

用户态指相应的低级别执行状态，代码的掌控范围会受到限制，只能执行CPU指令集的一个子集

举例：intel x86 CPU有四种不同的执行级别0-3，Linux只使用了其中的0级和3级分别来表示内核态和用户态

0xc0000000以上的内核地址空间只能在内核态下访问，00xbfffffff的用户地址空间在两种状态下都可以访问

应用程序可以通过Linux系统调用由用户态进入内核态

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逻辑地址与物理地址

逻辑地址：程序在运行过程中用来访问存储器的地址。程序员在编程时，只需知道逻辑地址，不需考虑该地址与实际物理硬件上的存储单元如何对应。编译器在编译源程序时，也只需考虑逻辑地址。

物理地址：表示物理存储器中一个存储单元的实际位置，地址总线上产生的就是物理地址。(总线地址)

在实地址模式下，逻辑地址等于物理地址。在虚拟地址模式下，逻辑地址不等于物理地址，必须经过查表才能转换为物理地址，因此也叫虚拟地址。

线性地址：2维逻辑地址变为1维地址后，叫线性地址

物理地址

查表 转换

逻辑地址

虚拟页

物理页

0

3

1

null

2

1

3

null

虚拟页

物理页

0

2

1

null

2

1

3

null

虚拟页

物理页

0

null

1

null

2

1

3

null

物理页

taken

进程id

0

N

null

1

Y

os

2

Y

2

3

Y

1

进程 1 的页表

进程id

虚拟页

硬盘文件名

偏移量

进程 2 的页表

进程 3 的页表

内页表

外页表

CR3寄存器

CPU负责查表(虚拟地址->物理地址)，查表失败时触发缺页异常(14号)；

OS负责填充各个表的内容，并提供缺页中断的中断服务器程序。

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X86处理器对VM的支持

MMU单元：(1)自动查表，将当期指令中的逻辑地址转化为物理地址; (2)触发缺页异常。

32bitCPU支持2级页表：页目录表，页表。10+10+12

64bitCPU支持4级页表：9+9+9+9+12

专用寄存器CR3中存放了当前有效的页目录表的物理地址。

专用寄存器CR2用于存放触发缺页异常的线性地址。

转换旁视缓冲区TLB：将常用的逻辑/物理转换关系缓存到CPU。当页表被修改，或有效页表切换时需调用专用指令刷新TLB。

flush_tlb_all, flush_tlb_mm, flush_tlb_range, flush_tlb_page

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32bit Intel x86的页表

在32位CPU上，地址空间为2^32，一个内存页大小为2^12，则共有2^20个页，页编号范围0~2^20-1，因此页表中的一行至少要用3个字节(存储页编号是必须的)，但实际上页表中一行占4个字节。

80386CPU中一个页表项的定义如下：

Present标志、Accessed标志、Dirty标志、Read/Write标志、User/Supervisor标志、……

如果present标志为0，分页单元就把这个线性地址存放在处理器的CR2寄存器中，并产生一个14号缺页异常

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页表项或页目录项中的标志

Present标志：所指内容是否存在

Accessded标志：所指内容被访问之后自动置1

Dirty标志：所指内容被修改后自动置1

Read/Write标志：所指内容的读写权限

User/Supervisor标志：所指内容的访问特权要求

PCD/PWT：是否运行被缓存至Cache

PageSize：页大小：4K，4M，2M

Global标志：防止页从TLB中刷新出去

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两级页表

为了节省内存，32位CPU采用了两级页表

第一级为页目录，每个表项存储了第二级页表的物理地址。

第二级页表的每个表项存储了一个虚拟页所对应物理页的物理地址。

32位的虚拟地址被分成3个域

目录(directory)最高的10位

页表(Table)中间的10位

页内偏移量(offset)最低的12位

程序