深入理解Linux內(nèi)存映射機制 (1)

一. 緒 論
二. X86的硬件尋址方法
三. 內(nèi)核對頁表的設(shè)置
四. 實例分析映射機制

一. 緒 論
我們經(jīng)常在程序的反匯編代碼中看到一些類似0x32118965這樣的地址，操作系統(tǒng)中稱為線性地址，或虛擬地址。虛擬地址有什么用？虛擬地址又是如何轉(zhuǎn)換為物理內(nèi)存地址的呢？本章將對此作一個簡要闡述。
1.1 Linux內(nèi)存尋址概述
現(xiàn)代意義上的操作系統(tǒng)都處于32位保護(hù)模式下。每個進(jìn)程一般都能尋址4G的物理空間。但是我們的物理內(nèi)存一般都是幾百M，進(jìn)程怎么能獲得4G的物理空間呢？這就是使用了虛擬地址的好處，通常我們使用一種叫做虛擬內(nèi)存的技術(shù)來實現(xiàn)，因為可以使用硬盤中的一部分來當(dāng)作內(nèi)存使用。例外一點現(xiàn)在操作系統(tǒng)都劃分為系統(tǒng)空間和用戶空間，使用虛擬地址可以很好的保護(hù)內(nèi)核空間被用戶空間破壞。
對于虛擬地址如何轉(zhuǎn)為物理地址,這個轉(zhuǎn)換過程有操作系統(tǒng)和CPU共同完成. 操作系統(tǒng)為CPU設(shè)置好頁表。CPU通過MMU單元進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。
1.2 瀏覽內(nèi)核代碼的工具
現(xiàn)在的內(nèi)核都很大， 因此我們需要某種工具來閱讀龐大的源代碼體系，現(xiàn)在的內(nèi)核開發(fā)工具都選用vim ctag cscope瀏覽內(nèi)核代碼，網(wǎng)上已有現(xiàn)成的makefile文件用來生成ctags/cscope/etags。
一、用法：
找一個空目錄，把附件Makefile拷貝進(jìn)去。然后在該目錄中選擇性地運行如下make命令：
$ make
將處理/usr/src/linux下的源文件，在當(dāng)前目錄生成ctags, cscope
注：SRCDIR用來指定內(nèi)核源代碼目錄，如果沒有指定，則缺省為/usr/src/linux/
1) 只創(chuàng)建ctags
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/ tags
2) 只創(chuàng)建cscope
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/ cscope
3) 創(chuàng)建ctags和cscope
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/
4) 只創(chuàng)建etags
$ make SRCDIR=/usr/src/linux-2.6.12/ TAGS

二、處理時包括的內(nèi)核源文件：
1) 不包括drivers，sound目錄
2) 不包括無關(guān)的體系結(jié)構(gòu)目錄
3) fs目錄只包括頂層目錄和ext2，proc目錄

三、最簡單的ctags命令
1) 進(jìn)入
進(jìn)入vim后，用
:tag func_name
跳到函數(shù)func_name
2) 看函數(shù)（identifier）
想進(jìn)入光標(biāo)所在的函數(shù)，用
CTRL ]
3) 回退
回退用 CTRL T

1.3 內(nèi)核版本的選取
本次論文分析， 我選取的是linux-2.6.10版本的內(nèi)核。最新的內(nèi)核代碼為2.6.25。但是現(xiàn)在主流的服務(wù)器都使用的是RedHat AS4的機器，它使用2.6.9的內(nèi)核。我選取2.6.10是因為它很接近2.6.9，現(xiàn)在紅帽企業(yè)Linux 4以Linux2.6.9內(nèi)核為基礎(chǔ)，是最穩(wěn)定、最強大的商業(yè)產(chǎn)品。在2004年期間，F(xiàn)edora等開源項目為Linux 2.6內(nèi)核技術(shù)的更加成熟提供了一個環(huán)境，這使得紅帽企業(yè) Linux v.4內(nèi)核可以提供比以前版本更多更好的

功能和算法，具體包括:
• 通用的邏輯CPU調(diào)度程序：處理多內(nèi)核和超線程CPU。
• 基于對象的逆向映射虛擬內(nèi)存：提高了內(nèi)存受限系統(tǒng)的性能。
• 讀復(fù)制更新：針對操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的SMP算法優(yōu)化。
• 多I/O調(diào)度程序：可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行選擇。
• 增強的SMP和NUMA支持：提高了大型服務(wù)器的性能和可擴展性。
• 網(wǎng)絡(luò)中斷緩和（NAPI）：提高了大流量網(wǎng)絡(luò)的性能。
Linux 2.6 內(nèi)核使用了許多技術(shù)來改進(jìn)對大量內(nèi)存的使用，使得 Linux 比以往任何時候都更適用于企業(yè)。包括反向映射（reverse mapping）、使用更大的內(nèi)存頁、頁表條目存儲在高端內(nèi)存中，以及更穩(wěn)定的管理器。因此，我選取linux-2.6.10內(nèi)核版本作為分析對象。

二. X86的硬件尋址方法
請參考Intel x86手冊^_^

三. 內(nèi)核對頁表的設(shè)置
CPU做出映射的前提是操作系統(tǒng)要為其準(zhǔn)備好內(nèi)核頁表，而對于頁表的設(shè)置，內(nèi)核在系統(tǒng)啟動的初期和系統(tǒng)初始化完成后都分別進(jìn)行了設(shè)置。
3.1 與內(nèi)存映射相關(guān)的幾個宏
這幾個宏把無符號整數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的類型
#define __pte(x) ((pte_t) { (x) } )
#define __pmd(x) ((pmd_t) { (x) } )
#define __pgd(x) ((pgd_t) { (x) } )
#define __pgprot(x) ((pgprot_t) { (x) } )

根據(jù)x把它轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的無符號整數(shù)
#define pte_val(x) ((x).pte_low)
#define pmd_val(x) ((x).pmd)
#define pgd_val(x) ((x).pgd)
#define pgprot_val(x) ((x).pgprot)

把內(nèi)核空間的線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址
#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)

把物理地址轉(zhuǎn)化為線性地址
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x) PAGE_OFFSET))

x是頁表項值， 通過pte_pfn得到其對應(yīng)的物理頁框號， 最后通過pfn_to_page得到對應(yīng)的物理頁描述符
#define pte_page(x) pfn_to_page(pte_pfn(x))

如果對應(yīng)的表項值為0， 返回1
#define pte_none(x) (!(x).pte_low)

x是頁表項值， 右移12位后得到其對應(yīng)的物理頁框號
#define pte_pfn(x) ((unsigned long)(((x).pte_low >> PAGE_SHIFT)))
根據(jù)頁框號和頁表項的屬性值合并成一個頁表項值
#define pfn_pte(pfn, prot) __pte(((pfn) << PAGE_SHIFT) | pgprot_val(prot))

根據(jù)頁框號和頁表項的屬性值合并成一個中間表項值
#define pfn_pmd(pfn, prot) __pmd(((pfn) << PAGE_SHIFT) | pgprot_val(prot))

向一個表項中寫入指定的值
#define set_pte(pteptr, pteval) (*(pteptr) = pteval)
#define set_pte_atomic(pteptr, pteval) set_pte(pteptr,pteval)
#define set_pmd(pmdptr, pmdval) (*(pmdptr) = pmdval)
#define set_pgd(pgdptr, pgdval) (*(pgdptr) = pgdval)

根據(jù)線性地址得到高10位值， 也就是在目錄表中的索引
#define pgd_index(address) (((address)>>PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD-1))

根據(jù)頁描述符和屬性得到一個頁表項值
#define mk_pte(page, pgprot) pfn_pte(page_to_pfn(page), (pgprot))
3.2內(nèi)核頁表的初始化
內(nèi)核在進(jìn)入保護(hù)模式前， 還沒有啟用分頁功能， 在這之前內(nèi)核要先建立一個臨時內(nèi)核

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