Linux0.11内核--内存管理之1.初始化

Posted 2020-07-26 是非猫

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Linux内核因为使用了内存分页机制，所以相对来说好理解些。因为内存分页就是为了方便管理内存。

说到内存分页，最根部的要属页目录表了，head.h中：

extern unsigned long pg_dir[1024];	// 内存页目录数组。每个目录项为4 字节。从物理地址0 开始。

然后再看head.s：

/*
* head.s 含有32 位启动代码。
* 注意!!! 32 位启动代码是从绝对地址0x00000000 开始的，这里也同样是页目录将存在的地方，
* 因此这里的启动代码将被页目录覆盖掉。
*/
.text
.globl _idt,_gdt,_pg_dir,_tmp_floppy_area
_pg_dir:							# 页目录将会存放在这里。
...

页目录存放的地方是从绝对地址0开始的，接下来分配页表：

/* Linus 将内核的内存页表直接放在页目录之后，使用了4 个表来寻址16 Mb 的物理内存。
* 如果你有多于16 Mb 的内存，就需要在这里进行扩充修改。
*/
# 每个页表长为4 Kb 字节（1 页内存页面），而每个页表项需要4 个字节，因此一个页表共可以存放
# 1024 个表项。如果一个页表项寻址4 Kb 的地址空间，则一个页表就可以寻址4 Mb 的物理内存。
# 页表项的格式为：项的前0-11 位存放一些标志，例如是否在内存中(P 位0)、读写许可(R/W 位1)、
# 普通用户还是超级用户使用(U/S 位2)、是否修改过(是否脏了)(D 位6)等；表项的位12-31 是
# 页框地址，用于指出一页内存的物理起始地址。
.org 0x1000				# 从偏移0x1000 处开始是第1 个页表（偏移0 开始处将存放页表目录）。
pg0:

.org 0x2000
pg1:

.org 0x3000
pg2:

.org 0x4000
pg3:

...

分配了4个页表空间，因为一个页表项对应的是一个页也就是4K，所以一个页表就是4K*1024=4M，这里有4个页表所以就是16M。并且注意这里是从.org 0x1000开始的，前面4K的空间是留给整个页目录的。

下面是设置四个页目录项的属性，因为只有4个页表，所以相应的就是4个页目录项：

# 下面4 句设置页目录表中的项，因为我们（内核）共有4 个页表所以只需设置4 项。
# 页目录项的结构与页表中项的结构一样，4 个字节为1 项。参见上面113 行下的说明。
# "$pg0+7"表示：0x00001007，是页目录表中的第1 项。
# 则第1 个页表所在的地址 = 0x00001007 & 0xfffff000 = 0x1000；
# 第1 个页表的属性标志 = 0x00001007 & 0x00000fff = 0x07，表示该页存在、用户可读写。
	movl $pg0+7,_pg_dir				/* set present bit/user r/w */
	movl $pg1+7,_pg_dir+4			/*  --------- " " --------- */
	movl $pg2+7,_pg_dir+8			/*  --------- " " --------- */
	movl $pg3+7,_pg_dir+12		/*  --------- " " --------- */

注意这里+7的意思是，先看PDE 页目录项格式 可知，每个页目录项的0-11位是属性，12-31位才是基址，7对应的二进制是111，也就是P、R/W、U/S位都为1.

好，现在页目录和4个页表都分配好了。接下来进入初始化程序mem_init(main_memory_start, memory_end);在main.c和memory.c中：

static long memory_end = 0;	// 机器具有的物理内存（字节数）。
static long buffer_memory_end = 0;	// 高速缓冲区末端地址。
static long main_memory_start = 0;	// 主内存（将用于分页）开始的位置。

  memory_end = (1 << 20) + (EXT_MEM_K << 10);	// 内存大小=1Mb 字节+扩展内存(k)*1024 字节。
  memory_end &= 0xfffff000;	// 忽略不到4Kb（1 页）的内存数。
  if (memory_end > 16 * 1024 * 1024)	// 如果内存超过16Mb，则按16Mb 计。
    memory_end = 16 * 1024 * 1024;
  if (memory_end > 12 * 1024 * 1024)	// 如果内存>12Mb，则设置缓冲区末端=4Mb
    buffer_memory_end = 4 * 1024 * 1024;
  else if (memory_end > 6 * 1024 * 1024)	// 否则如果内存>6Mb，则设置缓冲区末端=2Mb
    buffer_memory_end = 2 * 1024 * 1024;
  else
    buffer_memory_end = 1 * 1024 * 1024;	// 否则则设置缓冲区末端=1Mb
  main_memory_start = buffer_memory_end;	// 主内存起始位置=缓冲区末端；

  // 如果定义了内存虚拟盘，则初始化虚拟盘。此时主内存将减少。参见kernel/blk_drv/ramdisk.c。
#ifdef RAMDISK			// 如果定义了内存虚拟盘，则主内存将减少。
  main_memory_start += rd_init (main_memory_start, RAMDISK * 1024);
#endif
  
  mem_init (main_memory_start, memory_end);

这里结合下图参考：

如果定义了内存虚拟盘，主内存区开始位置main_memory_start就从虚拟盘末端开始，否则就从高速缓冲区末端开始；而主内存区结尾memory_end则为16M。

/* 下面定义若需要改动，则需要与head.s 等文件中的相关信息一起改变 */
// linux 0.11 内核默认支持的最大内存容量是16M，可以修改这些定义以适合更多的内存。
#define LOW_MEM 0x100000											// 内存低端（1MB）。
#define PAGING_MEMORY (15*1024*1024)				// 分页内存15MB。主内存区最多15M。
#define PAGING_PAGES (PAGING_MEMORY>>12)	// 分页后的物理内存页数。相当于除以4096
#define MAP_NR(addr) (((addr)-LOW_MEM)>>12)	// 指定内存地址映射为页号。
#define USED 100																	// 页面被占用标志，参见405 行。

static long HIGH_MEMORY = 0;	// 全局变量，存放实际物理内存最高端地址。

// 内存映射字节图(1 字节代表1 页内存)，每个页面对应的字节用于标志页面当前被引用（占用）次数。
static unsigned char mem_map[PAGING_PAGES] = { 0, };


//// 物理内存初始化。
// 参数：start_mem - 可用作分页处理的物理内存起始位置（已去除RAMDISK 所占内存空间等）。
// end_mem - 实际物理内存最大地址。
// 在该版的linux 内核中，最多能使用16Mb 的内存，大于16Mb 的内存将不于考虑，弃置不用。
// 0 - 1Mb 内存空间用于内核系统（其实是0-640Kb）。
void
mem_init (long start_mem, long end_mem)
{
  int i;

  HIGH_MEMORY = end_mem;				// 设置内存最高端。
  for (i = 0; i < PAGING_PAGES; i++)		// 首先置所有页面为已占用(USED=100)状态，
    mem_map[i] = USED;								// 即将页面映射数组全置成USED。
  i = MAP_NR (start_mem);						// 然后计算可使用起始内存的页面号。
  end_mem -= start_mem;							// 再计算可分页处理的内存块大小。
  end_mem >>= 12;										// 从而计算出可用于分页处理的页面数。
  while (end_mem-- > 0)							// 最后将这些可用页面对应的页面映射数组清零。
    mem_map[i++] = 0;
}

首先注意PAGING_MEMORY，因为1M以下的内存空间是内核所用，不参与分页，所以主内存大小最多为15M。所以PAGING_PAGES就是主内存大小除以4096（一页就是4096字节）就是内存页面总数。

所以mem_map的作用就是内存页面映射。

这里注意一下MAP_NR(start_mem)这个宏，用主内存区开始地址减去不参与分页的1M空间，得到从可用于分页的内存地址开始的容量，再除以4096（一页就是4096字节）就可以得到页号。

然后计算主内存区的大小，并把mem_map中从主内存区start_mem开始的页号置为0.

到这里为止，内存管理的初始化就算结束了！