浅析Linux系统中的内存管理

当使用Inter 80x86微处理器时，必须区分三种地址：

逻辑地址：有段基址和段偏移量组成。

线性地址：32位无符号整数。

物理地址

CPU通过分段单元将逻辑地址转换为线性地址，再通过分页单元将线性地址转化为物理地址

硬件的分段单元

从80386CPU开始，Intel微处理器能执行两种不同的地址转换模式，分别称为实模式（为了与早期OS兼容）和保护模式，这里重点放在保护模式上。

段寄存器

一个逻辑地址由两部分组成，一个段标识符（16位）和一个相对地址的偏移量（32位），段寄存器是用来存放段选则符的，包括cs,ss,ds,es,fs,gs。

cs：代码段寄存器，用于存放程序指令的段。

ss：栈段寄存器，指向当前存放程序栈的段；什么是程序栈空间，即主要用来 存放函数和数组等。

ds：数据段寄存器，指向存放静态数据（永久性不变的数据）或者外部数据的段。

其它三个寄存器做一般用途，可以用来访问任意段。

cs寄存器还有一个两位域，用来指明cpu的特权级，linux中只有0和3级，分别为内核态和用户态。

段描述符

占8字节，段描述符被放在全局描述符表（GDT）或者局部描述符表（LDT）。

系统通常只定义一个GDT（其地址被存放在GDTR寄存器中），每个进程可以有自己的LDT（其地址被存放在LDTR寄存器中）。

其中，系统段存储内核数据结构，任务状态段用于保存处理器寄存器的内容。

段选择符

为了加速逻辑地址到线性地址的转换，Intel处理器提供一种附加的非编程的寄存器（不能被程序员设置），这样在访问段寄存器中段选择符时，就不能（不需要）访问GDT或LDT了。

段单元

逻辑地址转化为线性地址总览：

Linux中的段

Linux更喜欢分页的方式，当所有的进程使用相同的段寄存器值时，内存管理变得更简单，它们能共享相同的线性地址。而且许多RISC处理器不支持段功能，Linux不好做移植。

硬件的分页单元

分页单元认为所有的RAM被分成固定长度的页框，每一个页框包含一页。在Intel处理器中，通过设置CR0寄存器的PG标志启动分页。当PG=0时，线性地址就被解释成物理地址。

常规分页

从i80386起，Intel处理器的分页单元处理4KB的页。32位线性地址被分成三个域：目录（10），页表（10），偏移量（12）。

正在使用的页目录表的物理地址存放在处理器的CR3寄存器中。

这里要说明下，在页目录和页表表项中由Page Size标志为1，页目录项指的是4MB的页框。如果Present为0，分页单元就把这个线性地址存放在处理器的CR2寄存器中，并产生14号缺页异常。

扩展分页

从奔腾处理器开始，Intel80x86微处理器引进了扩展分页，它允许页框大小为4KB或4MB（页目录10位，偏移量22位）。

之后就是引入cache和TLB（计算机组成原理内容），就不详细说了。

Linux的分页

Linux采用三级分页，页全局目录（10），页中间目录（10），页表（10），偏移量（13）。

保留的页框

内核代码和数据结构存放在一组保留的页框中，这些页框所含的页从不动态分配或者交换到内存中。

作为一条常规，Linux内核被安装在RAM物理地址0x00100000开始的地方，为什么从这个地方开始？

因为页框0由BIOS使用，存放硬件配置。

物理地址0x000a0000到0x000fffff被BIO程序使用同时映射ISA上的显存。

前1MB的其它页框可能被保留用作特定的计算机模式。

为了避免把内核装入一组不连续的页框，Linux更愿跳过第1MB的RAM。（内核小于1MB _text---_etext）

审核编辑：刘清