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Linux內(nèi)存管理中MMU的過程是怎樣的

本篇內(nèi)容介紹了“Linux內(nèi)存管理中MMU的過程是怎樣的”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

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ARMv8中的訪問內(nèi)存流程

我喜歡用圖的方式來說明問題，簡單直接：

Linux內(nèi)存管理中MMU的過程是怎樣的  

藍(lán)色部分是cpu，灰色部分是內(nèi)存，白色部分就是cpu訪問內(nèi)存的過程，也是地址轉(zhuǎn)換的過程。在解釋地址轉(zhuǎn)換的本質(zhì)前我們先理解下幾個(gè)概念：

  1. TLB：MMU工作的過程就是查詢頁表的過程。如果把頁表放在內(nèi)存中查詢的時(shí)候開銷太大，因此為了提高查找效率，專門用一小片訪問更快的區(qū)域存放地址轉(zhuǎn)換條目。（當(dāng)頁表內(nèi)容有變化的時(shí)候，需要清除TLB，以防止地址映射出錯(cuò)。）

  2. Caches：cpu和內(nèi)存之間的緩存機(jī)制，用于提高訪問速率，armv8架構(gòu)的話上圖的caches其實(shí)是L2 Cache，這里就不做進(jìn)一步解釋了。

「那么CPU是如何通過MMU和Cache來訪問內(nèi)存的呢？」

Linux內(nèi)存管理中MMU的過程是怎樣的  

可以看出虛擬地址和物理地址的轉(zhuǎn)換關(guān)鍵是過程Table Walk Unit。

 

虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的本質(zhì)

我們知道內(nèi)核中的尋址空間大小是由CONFIG_ARM64_VA_BITS控制的，這里以48位為例，ARMv8中，Kernel Space的頁表基地址存放在TTBR1_EL1寄存器中，User Space頁表基地址存放在TTBR0_EL0寄存器中，其中內(nèi)核地址空間的高位為全1，(0xFFFF0000_00000000 ~ 0xFFFFFFFF_FFFFFFFF)，用戶地址空間的高位為全0，(0x00000000_00000000 ~ 0x0000FFFF_FFFFFFFF)

Linux內(nèi)存管理中MMU的過程是怎樣的  

有了宏觀概念，下面我們以內(nèi)核態(tài)尋址過程為例看下是如何把虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的。

我們知道linux采用了分頁機(jī)制，通常采用四級(jí)頁表，頁全局目錄(PGD)，頁上級(jí)目錄(PUD)，頁中間目錄(PMD)，頁表(PTE)。如下：

Linux內(nèi)存管理中MMU的過程是怎樣的  
  1. 從CR3寄存器中讀取頁目錄所在物理頁面的基址(即所謂的頁目錄基址)，從線性地址的第一部分獲取頁目錄項(xiàng)的索引，兩者相加得到頁目錄項(xiàng)的物理地址。
  2. 第一次讀取內(nèi)存得到pgd_t結(jié)構(gòu)的目錄項(xiàng)，從中取出物理頁基址取出，即頁上級(jí)頁目錄的物理基地址。
  3. 從線性地址的第二部分中取出頁上級(jí)目錄項(xiàng)的索引，與頁上級(jí)目錄基地址相加得到頁上級(jí)目錄項(xiàng)的物理地址。
  4. 第二次讀取內(nèi)存得到pud_t結(jié)構(gòu)的目錄項(xiàng)，從中取出頁中間目錄的物理基地址。
  5. 從線性地址的第三部分中取出頁中間目錄項(xiàng)的索引，與頁中間目錄基址相加得到頁中間目錄項(xiàng)的物理地址。
  6. 第三次讀取內(nèi)存得到pmd_t結(jié)構(gòu)的目錄項(xiàng)，從中取出頁表的物理基地址。
  7. 從線性地址的第四部分中取出頁表項(xiàng)的索引，與頁表基址相加得到頁表項(xiàng)的物理地址。
  8. 第四次讀取內(nèi)存得到pte_t結(jié)構(gòu)的目錄項(xiàng)，從中取出物理頁的基地址。
  9. 從線性地址的第五部分中取出物理頁內(nèi)偏移量，與物理頁基址相加得到最終的物理地址。
  10. 第五次讀取內(nèi)存得到最終要訪問的數(shù)據(jù)。

整個(gè)過程是比較機(jī)械的，每次轉(zhuǎn)換先獲取物理頁基地址，再從線性地址中獲取索引，合成物理地址后再訪問內(nèi)存。不管是頁表還是要訪問的數(shù)據(jù)都是以頁為單位存放在主存中的，因此每次訪問內(nèi)存時(shí)都要先獲得基址，再通過索引(或偏移)在頁內(nèi)訪問數(shù)據(jù)，因此可以將線性地址看作是若干個(gè)索引的集合。

 

linux中對(duì)地址轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

/*描述各級(jí)頁表中的頁表項(xiàng)*/
typedef struct { pteval_t pte; } pte_t;
typedef struct { pmdval_t pmd; } pmd_t;
typedef struct { pudval_t pud; } pud_t;
typedef struct { pgdval_t pgd; } pgd_t;

/*  將頁表項(xiàng)類型轉(zhuǎn)換成無符號(hào)類型 */
#define pte_val(x)	((x).pte)
#define pmd_val(x)	((x).pmd)
#define pud_val(x)	((x).pud)
#define pgd_val(x)	((x).pgd)

/*  將無符號(hào)類型轉(zhuǎn)換成頁表項(xiàng)類型 */
#define __pte(x)	((pte_t) { (x) } )
#define __pmd(x)	((pmd_t) { (x) } )
#define __pud(x)	((pud_t) { (x) } )
#define __pgd(x)	((pgd_t) { (x) } )

/* 獲取頁表項(xiàng)的索引值 */
#define pgd_index(addr)		(((addr) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD - 1))
#define pud_index(addr)		(((addr) >> PUD_SHIFT) & (PTRS_PER_PUD - 1))
#define pmd_index(addr)		(((addr) >> PMD_SHIFT) & (PTRS_PER_PMD - 1))
#define pte_index(addr)		(((addr) >> PAGE_SHIFT) & (PTRS_PER_PTE - 1))

/*  獲取頁表中entry的偏移值 */
#define pgd_offset(mm, addr)	(pgd_offset_raw((mm)->pgd, (addr)))
#define pgd_offset_k(addr)	pgd_offset(&init_mm, addr)
#define pud_offset_phys(dir, addr)	(pgd_page_paddr(*(dir)) + pud_index(addr) * sizeof(pud_t))
#define pud_offset(dir, addr)		((pud_t *)__va(pud_offset_phys((dir), (addr))))
#define pmd_offset_phys(dir, addr)	(pud_page_paddr(*(dir)) + pmd_index(addr) * sizeof(pmd_t))
#define pmd_offset(dir, addr)		((pmd_t *)__va(pmd_offset_phys((dir), (addr))))
#define pte_offset_phys(dir,addr)	(pmd_page_paddr(READ_ONCE(*(dir))) + pte_index(addr) * sizeof(pte_t))
#define pte_offset_kernel(dir,addr)	((pte_t *)__va(pte_offset_phys((dir), (addr))))
 

進(jìn)程在切換的時(shí)候就是根據(jù)task_struct找到mm_struct里的PGD字段，取得新進(jìn)程的頁全局目錄，然后填充到CR3寄存器，就完成了頁的切換。

下面我們動(dòng)手操作一下，通過代碼來深度理解下虛擬地址是如何轉(zhuǎn)化為物理地址的。

#include  
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

MODULE_DESCRIPTION("vitual address to physics address");

static int pid;
static unsigned long va;

module_param(pid,int,0644); //從命令行傳遞參數(shù)（變量，類型，權(quán)限）
module_param(va,ulong,0644); //va表示的是虛擬地址

static int find_pgd_init(void)
{
       unsigned long pa = 0; //pa表示的物理地址
       struct task_struct *pcb_tmp = NULL;
       pgd_t *pgd_tmp = NULL;
       pud_t *pud_tmp = NULL;
       pmd_t *pmd_tmp = NULL;
       pte_t *pte_tmp = NULL;

       printk(KERN_INFO"PAGE_OFFSET = 0x%lx\n",PAGE_OFFSET);  //頁表中有多少個(gè)項(xiàng)
   /*pud和pmd等等  在線性地址中占據(jù)多少位*/
       printk(KERN_INFO"PGDIR_SHIFT = %d\n",PGDIR_SHIFT);
   //注意：在32位系統(tǒng)中  PGD和PUD是相同的
       printk(KERN_INFO"PUD_SHIFT = %d\n",PUD_SHIFT);
       printk(KERN_INFO"PMD_SHIFT = %d\n",PMD_SHIFT);
       printk(KERN_INFO"PAGE_SHIFT = %d\n",PAGE_SHIFT);

       printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PGD = %d\n",PTRS_PER_PGD); //每個(gè)PGD里面有多少個(gè)ptrs
       printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PUD = %d\n",PTRS_PER_PUD);
       printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PMD = %d\n",PTRS_PER_PMD); //PMD中有多少個(gè)項(xiàng)
       printk(KERN_INFO"PTRS_PER_PTE = %d\n",PTRS_PER_PTE);

       printk(KERN_INFO"PAGE_MASK = 0x%lx\n",PAGE_MASK); //頁的掩碼

 struct pid *p = NULL;
 p = find_vpid(pid); //通過進(jìn)程的pid號(hào)數(shù)字找到struct pid的結(jié)構(gòu)體
 pcb_tmp = pid_task(p,PIDTYPE_PID); //通過pid的結(jié)構(gòu)體找到進(jìn)程的task  struct
       printk(KERN_INFO"pgd = 0x%p\n",pcb_tmp->mm->pgd);
              // 判斷給出的地址va是否合法(va<vm_end)
   if(!find_vma(pcb_tmp->mm,va)){
               printk(KERN_INFO"virt_addr 0x%lx not available.\n",va);
               return 0;
       }
       pgd_tmp = pgd_offset(pcb_tmp->mm,va);  //返回線性地址va，在頁全局目錄中對(duì)應(yīng)表項(xiàng)的線性地址
       printk(KERN_INFO"pgd_tmp = 0x%p\n",pgd_tmp);
   //pgd_val獲得pgd_tmp所指的頁全局目錄項(xiàng)
   //pgd_val是將pgd_tmp中的值打印出來
       printk(KERN_INFO"pgd_val(*pgd_tmp) = 0x%lx\n",pgd_val(*pgd_tmp));
       if(pgd_none(*pgd_tmp)){  //判斷pgd有沒有映射
               printk(KERN_INFO"Not mapped in pgd.\n");
               return 0;
       }
       pud_tmp = pud_offset(pgd_tmp,va); //返回va對(duì)應(yīng)的頁上級(jí)目錄項(xiàng)的線性地址
       printk(KERN_INFO"pud_tmp = 0x%p\n",pud_tmp);
       printk(KERN_INFO"pud_val(*pud_tmp) = 0x%lx\n",pud_val(*pud_tmp));
       if(pud_none(*pud_tmp)){
               printk(KERN_INFO"Not mapped in pud.\n");
               return 0;
       }
       pmd_tmp = pmd_offset(pud_tmp,va); //返回va在頁中間目錄中對(duì)應(yīng)表項(xiàng)的線性地址
       printk(KERN_INFO"pmd_tmp = 0x%p\n",pmd_tmp);
       printk(KERN_INFO"pmd_val(*pmd_tmp) = 0x%lx\n",pmd_val(*pmd_tmp));
       if(pmd_none(*pmd_tmp)){
               printk(KERN_INFO"Not mapped in pmd.\n");
               return 0;
       }
       //在這里，把原來的pte_offset_map()改成了pte_offset_kernel
       pte_tmp = pte_offset_kernel(pmd_tmp,va);  //pte指的是  找到表

       printk(KERN_INFO"pte_tmp = 0x%p\n",pte_tmp);
       printk(KERN_INFO"pte_val(*pte_tmp) = 0x%lx\n",pte_val(*pte_tmp));
       if(pte_none(*pte_tmp)){ //判斷有沒有映射
               printk(KERN_INFO"Not mapped in pte.\n");
               return 0;
       }
       if(!pte_present(*pte_tmp)){
               printk(KERN_INFO"pte not in RAM.\n");
               return 0;
       }
       pa = (pte_val(*pte_tmp) & PAGE_MASK) ;//物理地址的計(jì)算方法
       printk(KERN_INFO"virt_addr 0x%lx in RAM Page is 0x%lx .\n",va,pa);
       //printk(KERN_INFO"contect in 0x%lx is 0x%lx\n",pa,*(unsigned long *)((char *)pa + PAGE_OFFSET));

       return 0;

}

static void __exit  find_pgd_exit(void)
{
       printk(KERN_INFO"Goodbye!\n");

}

module_init(find_pgd_init);
module_exit(find_pgd_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
 

運(yùn)行結(jié)果如下：Linux內(nèi)存管理中MMU的過程是怎樣的可以看出虛擬地址ffff99b488d48000對(duì)應(yīng)的物理地址是80000000c8d48000。這個(gè)過程也是mmu的過程。

“Linux內(nèi)存管理中MMU的過程是怎樣的”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！


當(dāng)前題目：Linux內(nèi)存管理中MMU的過程是怎樣的
網(wǎng)頁路徑：http://weahome.cn/article/pjcsho.html

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