页式内存管理
CPU的页式内存管理单元,负责把一个线性地址,最终翻译为一个物理地址。从管理和效率的角度出发,线性地址被分为以固定长度为单位的组,称为页(page),例如一个32位的机器,线性地址最大可为4G,可以用4KB为一个页来划分,这页,整个线性地址就被划分为一个totall_page[2^20]的大数组,共有2的20个次方个页。这个大数组我们称之为页目录。目录中的每一个目录项,就是一个地址——对应的页的地址。
另一类“页”,我们称之为物理页,或者是页框、页桢的。是分页单元把所有的物理内存也划分为固定长度的管理单位,它的长度一般与内存页是一一对应的。
这里注意到,这个total_page数组有2^20个成员,每个成员是一个地址(32位机,一个地址也就是4字节),那么要单单要表示这么一个数组,就要占去4MB的内存空间。为了节省空间,引入了一个二级管理模式的机器来组织分页单元。如图所示:
(1) 分页单元中,页目录是唯一的,它的地址放在CPU的cr3寄存器中,是进行地址转换的开始点。
(2) 每一个活动的进程,因为都有其独立的对应的虚似内存(页目录也是唯一的),那么它也对应了一个独立的页目录地址。运行一个进程,需要将它的页目录地址放到cr3寄存器中,将别个的保存下来。
(3) 每一个32位的线性地址被划分为三部份,面目录索引(10位):页表索引(10位):偏移(12位)
可依据以下步骤进行转换:
- 从cr3中取出进程的页目录地址(操作系统负责在调度进程的时候,把这个地址装入对应寄存器);
- 根据线性地址前十位,在数组中,找到对应的索引项,因为引入了二级管理模式,页目录中的项,不再是页的地址,而是一个页表的地址。(又引入了一个数组),页的地址被放到页表中去了。
- 根据线性地址的中间十位,在页表(也是数组)中找到页的起始地址;
- 将页的起始地址与线性地址中最后12位相加,得到最终我们想要的物理地址;
这个转换过程,应该说还是非常简单地。全部由硬件完成,虽然多了一道手续,但是节约了大量的内存,还是值得的。
二级模式空间的节约是从两个方面实现的:
A. 如果一级页表中的一个页表条目为空,那么那所指的二级页表就根本不会存在。这表现出一种巨大的潜在节约,因为对于一个典型的程序,4GB虚拟地址空间的大部份都会是未分配的;
B. 只有一级页表才需要总是在主存中。虚拟存储器系统可以在需要时创建,并页面调入或调出二级页表,这就减少了主存的压力。只有最经常使用的二级页表才需要缓存在主存中。不过Linux并没有完全享受这种福利,它的页表目录和与已分配页面相关的页表都是常驻内存的。
值得一提的是,虽然页目录和页表中的项,都是4个字节(32位),但是它们都只用高20位,低12位屏蔽为0。把页表的低12屏蔽为0是很好理解的,因为这样它刚好和一个页面大小对应起来,大家都成整数增加。计算起来就方便多了。但是,为什么同时也要把页目录低12位屏蔽掉呢?因为按同样的道理,只要屏蔽其低10位就可以了。不过我想,因为12>10,这样可以让页目录和页表使用相同的数据结构,比较方便。
Linux的页式内存管理
前面说了i386的二级页管理架构,不过有些CPU,还有三级,甚至四级架构,Linux为了在更高层次提供抽像,为每个CPU提供统一的界面。提供了一个四层页管理架构,来兼容这些二级、三级、四级管理架构的CPU。这四级分别为:
- 页全局目录PGD(对应刚才的页目录)
- 页上级目录PUD(新引进的)
- 页中间目录PMD(新引进的)
- 页表PT(对应刚才的页表)。
整个转换依据硬件转换原理,只是多了二次数组的索引罢了,如下图:
那么对于使用二级管理架构32位的硬件,现在又是四级转换了,它们怎么能够协调地工作起来呢?
从硬件的角度,32位地址被分成了三部份——也就是说,不管理软件怎么做,最终落实到硬件,也只认识这三个部分。
从软件的角度,由于多引入了两部份,,也就是说,共有五部份。要让二层架构的硬件认识五部份也很容易,在地址划分的时候,将页上级目录和页中间目录的长度设置为0就可以了。这样,操作系统见到的是五部份,硬件还是按它死板的三部份划分,也不会出错。
这样,虽说是多此一举,但是考虑到64位地址,使用四层转换架构的CPU,我们就不再把中间两个设为0了,这样,软件与硬件再次和谐——抽像就是强大呀!
现在来理解Linux针对硬件的花招,因为硬件根本看不到所谓PUD,PMD。所以本质上要求PGD索引,直接就对应了PT的地址。而不是再到PUD和PMD中去查数组(虽然它们两个在线性地址中,长度为0,2^0 =1,也就是说,它们都是有一个数组元素的数组)。那么,内核如何合理安排地址呢?
从软件的角度上来讲,因为它的项只有一个,(32位),刚好可以存放与PGD中长度一样的地址指针。那么所谓先到PUD,到到PMD中做映射转换,就变成了保持原值不变,直接转手就可以了。这样就实现了“逻辑上指向一个PUD,再指向一个PMD,但在物理上是直接指向相应的PT的这个抽像,因为硬件根本不知道有PUD、PMD这个东西”。
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