02 linux011内存管理

Posted 2022-06-25 资质平庸的程序员

CR0.PG=1将开启内存页机制，由CR3保存内存页机制相关数据结构体的内存地址。

1 页表目录

页表目录用于索引页表，在页表目录中用于索引页表的信息被（此文）称为页表目录项。

+---------------------+
|page table dir item 0|
+---------------------+
|page table dir item 1|
+---------------------+
|         ...         |

页表目录项

|31                   12|11 9               0
+-----------------------+---+--+-+-+--+-+-+-+
|                       |   |  | | |  |U|R| |
|page table addr[31..12]|AVL|00|D|A|00|/|/|P|
|                       |   |  | | |  |S|W| |
+-----------------------+---+--+-+-+--+-+-+-+

页表地址：4Kb对齐，低12位由CPU自动补0；

D/A: 已修改/访问位，由硬件置位；

R/W: 1 - 可读写；0 - 仅可读或执行；

U/S: 特权级；

P: 1 - 页表可用；0 - 页表不可用。

2 页表

页表用于索引一块内存页，用于索引内存页的信息被（此文）成为页表项。

+-----------------+
|page table item 0|
+-----------------+
|page table item 1|
+-----------------+
|       ...       |

页表项的位格式同页表目录项。

3 页机制所管理的内存大小

在32位地址下，1个页表目录大小为4Kib，可以索引1024个页表；每个页表大小为4Kib可以描述1024个内存页，每个内存页大小为4Kb；则1个页表目录最大可描述4Gib内存。

4 页映射

对于任意一个32位逻辑地址，可根据页机制映射到一个物理内存地址

|31                22|21              12|11             0|
----------------------------------------------------------
|       DT_IDX       |      DTI_IDX     |     OFFSET     |
----------------------------------------------------------

DT_IDX: 页表目录项在页目录中的索引；
DTI_IDX: 页表项在页表中的索引；
OFFSET: 在内存页内的偏移。

如 0x00000000 将用索引到页目录中的第1个（0）页目录项，根据该页目录项索引到对应的页表，在该页表中将索引到第1个（0）页表项，从该页表项中可得到内存页的物理地址mem，最后映射到的内存地址为mem（偏移为0）。

5 管理物理内存分配的数组

（页表中的）逻辑地址所映射的物理地址依据 mem_map 数组来分配。

/* mem_map数组以页为单位标识物理内存的使用情况。
 * mem_map element        memory space
 *  mem_map[0]        [0x100000, 0x100fff]
 *  mem_map[1]        [0x101000, 0x101fff]
 *      ...                   ...        
 *  mem_map[3838]     [0xffe000, 0xffefff]
 *  mem_map[3839]     [0xfff000, 0xffffff]
 * 
 * mem_map[i] = count 标识
 * 内存段[0x100000 + i << 12, 0x100000 + i << 12 + 0xfff]
 * 的引用计数为count, i = [0..PAGING_PAGES - 1]。*/
static unsigned char mem_map [ PAGING_PAGES ] = 0,;

6 写时拷贝

页机制可以让多个不同逻辑地址指向同一物理内存页——在对应页表项中填写相同的物理内存页起始地址。

在创建进程时，不同进程可以拥有不同的逻辑地址空间，但共享父进程的物理内存页。当有进程要更改共享的物理内存页时，就在该进程的页表项中为其重新映射一块空闲的物理内存页，并将原物理内存页的数据拷贝到新物理内存页中，再实施更改操作。这就是页机制支持的写时拷贝。

7 linux0.11 物理内存划分

+-------------+--------+------------+-------------+
| OS routines | BUFFER | [RAM-DISK] | MAIN_MEMORY |
+-------------+--------+------------+-------------+
0x0           end      4Mb                        16Mb

BUFFER: 用作硬盘、软盘等外设缓冲区;

RAM-DISK: 用作虚拟磁盘(若定义);

MAIN_MEMORY: 为剩余内存,将用作内核数据结构体和进程运行的内存空间。