Linux内存空间访问札记
来源:互联网 发布:多个sheet的数据求和 编辑:程序博客网 时间:2024/05/22 14:44
原文地址:Linux内存空间访问札记
static inline void mem_mapping_linear(void)
{
unsigned long pageoffset, sectionNumber;
/*4GB虚拟地址映射到相应的物理地址上,均不能缓存*/
for (sectionNumber = 0; sectionNumber < 4096; sectionNumber++)
{
pageoffset = (sectionNumber << 20);
*(mmu_tlb_base + (pageoffset >> 20)) = pageoffset | MMU_SECDESC;
//mmu_tlb_base为存放页表的首地址,tlb是转换旁路缓存,是转换表的Cache
}
/*使能DRAM的区域可缓存*/
/*SDRAM物理地址0x30000000-0x33ffffff,DRAM_BASE=0x30000000,DRAM_SIZE=64M*/
for (pageoffset = DRAM_BASE; pageoffset < (DRAM_BASE + DRAM_SIZE); pageoffset += SZ_1M)
{
*(mmu_tlb_base + (pageoffset >> 20)) = pageoffset | MMU_SECDESC | MMU_CACHEEABLE;
}
}
caddr_t mmap(caddr_t addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
/*
**参数fd为文件描述符,
**len是映射到用户空间的字节数,它从被映射文件开头offset开始算起
**prot指定访问权限,PROT_READ(可读)、PROT_WRITE(可写)、PROT_EXEC(可执行)、PROT_NONE(不可访问)
**参数addr指定文件应被映射到用户空间的起始地址,一般为NULL,这样起始地址的任务将由内核完成,而函数返回值就是映射到用户空间的地址
*/
当用户调用mmap()时,内核会进行如下处理:
1、在进程的虚拟空间查找一块VMA
2、将这块VMA进行映射到设备地址空间,如果file_operations定义了mmap()操作,则调用它
3、将这个VMA插入到进程的VMA链表中
vm_operations_struct操作范例,取自fbmem.c
static int
fb_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct * vma)
{
int fbidx = iminor(file->f_path.dentry->d_inode);
struct fb_info *info = registered_fb[fbidx];
struct fb_ops *fb = info->fbops;
unsigned long off;
unsigned long start;
u32 len;
if (vma->vm_pgoff > (~0UL >> PAGE_SHIFT))
return -EINVAL;
off = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
if (!fb)
return -ENODEV;
if (fb->fb_mmap) {
int res;
lock_kernel();
res = fb->fb_mmap(info, vma);
unlock_kernel();
return res;
}
lock_kernel();
/* frame buffer memory */
start = info->fix.smem_start;
len = PAGE_ALIGN((start & ~PAGE_MASK) + info->fix.smem_len);
if (off >= len) {
/* memory mapped io */
off -= len;
if (info->var.accel_flags) {
unlock_kernel();
return -EINVAL;
}
start = info->fix.mmio_start;
len = PAGE_ALIGN((start & ~PAGE_MASK) + info->fix.mmio_len);
}
unlock_kernel();
start &= PAGE_MASK;
if ((vma->vm_end - vma->vm_start + off) > len)
return -EINVAL;
off += start;
vma->vm_pgoff = off >> PAGE_SHIFT;
/* This is an IO map - tell maydump to skip this VMA */
vma->vm_flags |= VM_IO | VM_RESERVED;
fb_pgprotect(file, vma, off);
if (io_remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, off >> PAGE_SHIFT,
vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
return -EAGAIN;
return 0;
}
/*
**这段代码的核心是io_remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, off >> PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
**其中vma->vm_start就是用户内存映射开始处的虚拟地址
**vma->vm_end - vma->vm_start是映射的虚拟地址范围
**而off >> PAGE_SHIFT是虚拟地址应该映射到的物理地址off的页帧号,实际上就是物理地址off右移了PAGE_SHIFT位:
off = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
start = info->fix.smem_start;//smem_start是显存的起始物理地址
start &= PAGE_MASK;
off += start;
**从上述过程可以看出,将显存的物理地址的页帧号映射到用户空间的虚拟地址上
**mmap必须以PAGE_SIZE为单位进行映射,实际上内存只能以页为单位进行映射,如果非PAGE_SIZE整数倍的地址范围,要先进行页对齐,强行以PAGE_SIZE的倍数大小进行映射
*/
/*内核模块加载函数*/
int __init kmalloc_map_init(void)
{
//申请设备号,添加cdev结构体
buffer = kmalloc(BUFFER_SIZE, GFP_KERNEL);
for (page = virt_to_page(buffer); page < virt_to_page(buffer + BUFFER_SIZE); page++)
{
mem_map_reserve(page);//置页为保留,virt_to_page()将内核虚拟地址转化为页
}
}
/*mmap()函数*/
static int kmalloc_map_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
unsigned long page, pos;
unsigned long start = (unsigned long)vma->vm_start;
unsigned long size = (unsigned long)(vma->vm_end - vma->vm_start);
if (size > BUFFER_SIZE)
{
return - EINVAL;
}
pos = (unsigned long)buffer;
/*映射buffer中的所有页*/
while (size > 0)
{
page = virt_to_phys((void *)pos);
if (remap_page_range(start, page, PAGE_SIZE, PAGE_SHARED))
return - EAGAIN;
start += PAGE_SIZE;
pos += PAGE_SIZE;
size -= PAGE_SIZE;
}
/*
**可否用io_remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, virt_to_phys((void *)buffer) >> PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, PAGE_SHARED)来替代remap_page_range?
**在Linux kernel 2.6.27中,已经找不到remap_page_range的实现,见Linux kernel change log: Changes remap_page_range to remap_pfn_range for 2.6.10 and above kernels
*/
return 0;
}
* 内核建立好内核页目录页表数据库,假设物理内存大小为len,则建立了[3G--3G+len]::[0--len]这样的虚地址vaddr和物理地址paddr的线性对应关系;
* 内核建立一个page数组,page数组和物理页面系列完全是线性对应,page用来管理该物理页面状态,每个物理页面的虚地址保存在page->virtual中;
* 内核建立好一个free_list,将没有使用的物理页面对应的page放入其中,已经使用的就不用放入了;
2. 内核模块申请内存vaddr = get_free_pages(mask,order):
* 内存管理模块从free_list找到一个page,将page->virtual作为返回值,该返回值就是对应物理页面的虚地址;
* 将page从free_list中脱离;
* 模块使用该虚拟地址操作对应的物理内存;
3. 内核模块使用vaddr,例如执行指令mov(eax, vaddr):
* CPU获得vaddr这个虚地址,利用建立好的页目录页表数据库,找到其对应的物理内存地址;
* 将eax的内容写入vaddr对应的物理内存地址内;
4. 内核模块释放内存free_pages(vaddr,order):
* 依据vaddr找到对应的page;
* 将该page加入到free_list中;
5. 用户进程申请内存vaddr = malloc(size):
* 内存管理模块从用户进程内存空间(0--3G)中找到一块还没使用的空间vm_area_struct(start--end);
* 随后将其插入到task->mm->mmap链表中;
6. 用户进程写入vaddr(0-3G),例如执行指令mov(eax, vaddr):
* CPU获得vaddr这个虚地址,该虚地址应该已经由glibc库设置好了,一定在3G一下的某个区域,根据CR3寄存器指向的current->pgd查当前进程的页目录页表数据库,发现该vaddr对应的页目录表项为0,故产生异常;
* 在异常处理中,发现该vaddr对应的vm_area_struct已经存在,为vaddr对应的页目录表项分配一个页表;
* 随后从free_list找到一个page,将该page对应的物理页面物理首地址赋给vaddr对应的页表表项,很明显,此时的vaddr和paddr不是线性对应关系了;
* 将page从free_list中脱离;
* 异常处理返回;
* CPU重新执行刚刚发生异常的指令mov(eax, vaddr);
* CPU获得vaddr这个虚地址,根据CR3寄存器指向的current->pgd,利用建立好的页目录页表数据库,找到其对应的物理内存地址;
* 将eax的内容写入vaddr对应的物理内存地址内;
7. 用户进程释放内存vaddr,free(vaddr):
* 找到该vaddr所在的vm_area_struct;
* 找到vm_area_struct:start--end对应的所有页目录页表项,清空对应的所有页表项;
* 释放这些页表项指向物理页面所对应的page,并将这些page加入到free_list队列中;
* 有必要还会清空一些页目录表项,并释放这些页目录表项指向的页表;
* 从task->mm->mmap链中删除该vm_area_struct并释放掉;
综合说明:
* 可用物理内存就是free_list中各page对应的物理内存;
* 页目录页表数据库的主要目的是为CPU访问物理内存时转换vaddr-->paddr使用,分配以及释放内存时不会用到,但是需要内核内存管理系统在合适时机为CPU建立好该库;
* 对于用户进程在6中获得的物理页面,有两个页表项对应,一个就是内核页目录页表数据库的某个pte[i ],一个就是当前进程内核页目录页表数据库的某个 pte[j],但是只有一个page和其对应。如果此时调度到其他进程,其他进程申请并访问某个内存,则不会涉及到该物理页面,因为其分配时首先要从 free_list中找一个page,而该物理页面对应的page已经从free_list中脱离出来了,因此不存在该物理页面被其他进程改写操作的情况。内核中通过get_free_pages等方式获取内存时,也不会涉及到该物理页面,原理同前所述。
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