linux arm 內(nèi)存分布總覽

地址范圍大小，虛擬轉(zhuǎn)物理的接口函數(shù)，各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的分配函數(shù)，該區(qū)域有什么作用，使用場(chǎng)合等等。

首先開始第一個(gè)區(qū)域：CPUvector page null pointer trap

該區(qū)域的大小是一個(gè)page頁的大小，對(duì)于那些不支持中斷向量重映射的cpu，該區(qū)域用來存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的中斷向量表；

對(duì)于那些支持中斷向量重映射的cpu，該區(qū)域用來撲獲0地址的非法訪問，即null指針。針對(duì)arm體系，他是支持中斷向量重映射，該區(qū)域一般保留不用，用來撲獲null指針。

上圖是linux的arm的虛擬地址分布總覽，我們按從低地址到高地址的順序逐個(gè)描述，每項(xiàng)的描述包括如下的內(nèi)容的組和：

第二個(gè)區(qū)域：應(yīng)用程序地址空間

地址大小范圍屬于[0x1000, 0xbf000000],我知道每個(gè)應(yīng)用進(jìn)程都有如下幾個(gè)段：text段即存儲(chǔ)代碼段，data段即存儲(chǔ)初始化的數(shù)據(jù)段，bss段即存儲(chǔ)未初始化的數(shù)據(jù)段，堆（malloc，free），棧（往下生長(zhǎng)）。他們的地址分布如下：

圖1

在應(yīng)用程序加載到內(nèi)存后，會(huì)為每個(gè)段，分一個(gè)vma的內(nèi)核結(jié)構(gòu)體，并且為每個(gè)段都分配了虛擬地址（虛擬地址和大小都存儲(chǔ)在vma結(jié)構(gòu)體中），當(dāng)可執(zhí)行程序的各個(gè)段在加載的時(shí)候，就會(huì)給其分配虛擬地址，每個(gè)段對(duì)應(yīng)內(nèi)核的一個(gè)vma結(jié)構(gòu)，程序所有段對(duì)應(yīng)的vma，都掛在程序?qū)?yīng)的進(jìn)程的struct mm結(jié)構(gòu)中，但并未給他分配實(shí)際的物理地址，待cpu實(shí)際去訪問它時(shí)，才會(huì)去實(shí)際建立物理到vma指定的虛擬地址映射，并且將對(duì)應(yīng)的段內(nèi)容從elf文件中拷貝到相應(yīng)的物理內(nèi)存中。

譬如當(dāng)cpu要訪問text段時(shí)，這個(gè)時(shí)候并未建立相應(yīng)的映射表，所以會(huì)產(chǎn)生page fault異常，從而在異常處理中，linux的內(nèi)存管理系統(tǒng)會(huì)為其分配物理內(nèi)存， 并從二進(jìn)制可執(zhí)行程序的elf文件讀取text段到物理內(nèi)存，并且為該進(jìn)程對(duì)應(yīng)的頁表建立該物理頁到虛擬地址的映射，這樣cpu就可以訪問該進(jìn)程的text段，并且執(zhí)行對(duì)應(yīng)的指令了。

stack跟heap都一樣，在cpu有實(shí)際的訪問時(shí)，才會(huì)分配物理內(nèi)存，并建立物理到對(duì)應(yīng)的虛擬地址（在程序加載時(shí)，vma中就已經(jīng)分配了虛擬地址）映射。這樣做，就可以節(jié)省程序運(yùn)行時(shí)實(shí)際物理內(nèi)存的使用。而不是程序一開始就建立了所有物理到虛擬的映射，從而導(dǎo)致物理內(nèi)存被大量不必要的消耗。

第三個(gè)區(qū)域：模塊地址

該區(qū)域用來為內(nèi)核模塊分配地址，譬如在insmod一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，會(huì)通過如下的流程：sysinit_module-->load_module-->layout_and_allocate-->move_module-->module_alloc_update_bounds-->module_alloc來為模塊的各個(gè)段分配虛擬地址

圖2

line42可見：就指定了模塊的虛擬地址范圍為：[MODULES_VADDR，MODULES_END] = [0xbf000000，0xbfe00000]，總計(jì)14MB。注意此時(shí)__vmalloc_node_range進(jìn)行了實(shí)際的物理內(nèi)存分配，并且建立了物理到虛擬地址的映射。

第四個(gè)區(qū)域：PKMAP地址段

該區(qū)域跟fixmap區(qū)域都是用來將高端物理內(nèi)存頁映射到內(nèi)核的線性地址范圍，以使內(nèi)核能夠訪問他。但為什么還要分兩個(gè)區(qū)域呢？他們有什么異同？

kmap和fixmap驅(qū)動(dòng)的地址范圍都是有限的，所以不能長(zhǎng)久持有，最好使用完后，就盡快的釋放。

其中kmap區(qū)域的API函數(shù)為：kmap/kunmap，該函數(shù)可以休眠，在地址資源緊張的時(shí)候就會(huì)發(fā)生休眠。

fixmap區(qū)域的api函數(shù)為：kmap_atomic/__kunmap_atomic，該函數(shù)為每個(gè)cpu都保留一個(gè)地址槽，并且該函數(shù)是原子的，不會(huì)休眠。使用kmap_atomic影射高端物理內(nèi)存頁，處理完后（并且該處理不應(yīng)該休眠，同時(shí)kmap_atomic還會(huì)禁止搶占），就應(yīng)該盡快調(diào)用__kunmap_atomic進(jìn)行釋放。所以該函數(shù)可以在中斷上下文中使用

kmap地址段的開始虛擬地址和大小在trunk/arch/arm/mm/mmu.c中的kmap_init函數(shù)就指定了。

關(guān)于kmap的詳細(xì)分析，見我的另一篇blog文章。

第五個(gè)區(qū)域：內(nèi)核地址空間的直接映射區(qū)，即linux內(nèi)核的低端內(nèi)存區(qū)

該區(qū)域也稱為內(nèi)核邏輯地址空間  是指從PAGE_OFFSET(3G)到high_memory之間的線性地址空間，是系統(tǒng)物理內(nèi)存映射區(qū)，它映射了全部或部分（如果系統(tǒng)包含高端內(nèi)存）物理內(nèi)存。內(nèi)核邏輯地址空間與系統(tǒng)RAM內(nèi)存物理地址空間是一一對(duì)應(yīng)的，內(nèi)核邏輯地址空間中的地址與RAM內(nèi)存物理地址空間中對(duì)應(yīng)的地址只差一個(gè)固定偏移量（3G），如果RAM內(nèi)存物理地址空間從0x00000000地址編址，那么這個(gè)偏移量就是PAGE_OFFSET(0xc0000000)。

系統(tǒng)初始化過程中將低端內(nèi)存永久映射到了內(nèi)核邏輯地址空間，為低端內(nèi)存建立了虛擬映射頁表。低端內(nèi)存內(nèi)物理內(nèi)存的物理地址與線性地址之間的轉(zhuǎn)換可以通過__pa(x)和__va(x)兩個(gè)宏來進(jìn)行:

#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET) __pa(x)將內(nèi)核邏輯地址空間的地址x轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的物理地址，相當(dāng)于__virt_to_phys((unsigned long)(x))，

__va(x)則相反，把低端物理內(nèi)存空間的地址轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的內(nèi)核邏輯地址，相當(dāng)于((void *)__phys_to_virt((unsigned long)(x)))

該區(qū)域的內(nèi)存分配函數(shù)：kmalloc/kfree和__get_free_page都是從低端內(nèi)存來分配內(nèi)存

第六個(gè)區(qū)域：高端內(nèi)存vmalloc區(qū)

該區(qū)域是屬于linux內(nèi)核的高端內(nèi)存地址，該區(qū)域分配的虛擬地址是連續(xù)的，但對(duì)應(yīng)的物理地址則可能是不連續(xù)的。該區(qū)域的內(nèi)存分配api函數(shù)為：vmalloc/vfree, 該區(qū)域的api可以用來分配大片內(nèi)存，但對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存可能是不連續(xù)的。該函數(shù)會(huì)修改頁目錄映射表，因?yàn)橐獮閷?duì)應(yīng)的虛擬地址和物理地址建立映射關(guān)系。

另外vmalloc區(qū)域跟高端內(nèi)核（high_memory）有一個(gè)8MB的保留區(qū)域。端內(nèi)存的物理地址與線性地址之間的轉(zhuǎn)換不能使用上面的__pa(x)和__va(x)宏，關(guān)于該區(qū)域linux內(nèi)核的文檔：arm/memmory.txt有如下的描述：

vmalloc() / ioremap() space. 
Memory returned by vmalloc/ioremap will 
be dynamically placed in this region. 
Machine specific static mappings are also 
located here through iotable_init(). 
VMALLOC_START is based upon the value 
of the high_memory variable, and VMALLOC_END 
is equal to 0xff000000. 

第七個(gè)區(qū)域：DMA內(nèi)存映射區(qū)

該區(qū)域是為DMA分配內(nèi)存的，該段區(qū)域的開始地址和大小在

trunk/arch/arm/mm/dma-mapping.c中已經(jīng)指定了。

分別由consistent_base，DEFAULT_CONSISTENT_DMA_SIZE，

CONSISTENT_END指定該區(qū)域的開始地址，大小，結(jié)束地址。

該區(qū)域的內(nèi)存分配api函數(shù)為：dma_alloc_coherent/dma_free_coherent，

該分配函數(shù)會(huì)建立映射表，并且分配出來的物理地址是連續(xù)的。

dma_alloc_coherent的核心函數(shù)為：__dma_alloc。具體詳細(xì)的流程，

請(qǐng)見我的另外一篇blog。在調(diào)用這個(gè)api進(jìn)行dma內(nèi)存分配時(shí)，

虛擬地址是從CONSISTENT_END高地址往consistent_base低地址方向分配的，

即第一次dma_alloc_coherent調(diào)用的返回值>第二次dma_alloc_coherent

調(diào)用的返回值。請(qǐng)看圖3一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)dma分配的內(nèi)存情況

另外dma分配函數(shù)分配的物理頁是屬于低端內(nèi)存，但他會(huì)通過__dma_alloc_remap函數(shù)，將該物理頁重新映射到dma所屬的地址范圍。所以同一個(gè)物理頁存在兩個(gè)虛擬地址映射，因?yàn)樵撐锢眄搶?duì)應(yīng)的低端內(nèi)存地址在內(nèi)核初始化的時(shí)候，就已經(jīng)映射建立好了。

第八個(gè)區(qū)域：Fixmap映射區(qū)

該區(qū)域的開始地址和大小在trunk/arch/arm/include/asm/fixmap.h文件中指定了，

該區(qū)域的地址范圍：[0xfff00000,0xfffe0000],該區(qū)域是屬于最頂部的pte頁表中

（set_top_pte），他為系統(tǒng)中的每個(gè)cpu都保留了16個(gè)page頁的虛擬地址。

該區(qū)域有兩個(gè)特殊函數(shù)：

fix_to_virt/virt_to_fix  
#define __virt_to_fix(x)(((x) - FIXADDR_START) >> PAGE_SHIFT) 

表示虛擬地址相對(duì)FIXADDR_START偏移的頁框數(shù)，該返回值應(yīng)該屬于

[0，15]之間。

第九個(gè)區(qū)域：CPUvector page

該區(qū)域是用來映射cpu的中斷向量表，因?yàn)閘inux arm使用的高端向量，即cpu中斷產(chǎn)生時(shí)，pc指針會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到0xffff0000+4*vector_num的地方。

圖4

line1107分配一個(gè)低端的物理內(nèi)存頁框，line1109 early_trap_init將中斷向量表的內(nèi)容拷貝到這個(gè)新分配的物理頁框中。

圖5

line1149-1153：將line1107行分配的物理頁映射到虛擬地址0xffff0000，為cpu中斷產(chǎn)生時(shí)，做好準(zhǔn)備（對(duì)應(yīng)的地址有各自的跳轉(zhuǎn)代碼，來處理各自的中斷異常）。在這里這個(gè)物理頁同樣是存在兩個(gè)虛擬地址的映射，一個(gè)是低端虛擬地址的影射，一個(gè)是高端虛擬地址的映射

最后附一個(gè)我們實(shí)際使用中的contexA9雙核，ram為1GB大小的系統(tǒng)的linux內(nèi)存分布情況圖：

圖6

可以結(jié)合圖1和圖6一起分析來加深對(duì)linux的內(nèi)存分布情況的理解，至于圖1是怎么來的，就需要看上面每個(gè)段的具體分析。