六。内存管理机制--MMU

大家发现什么村务一定要告诉我，大家一起学习：

1、#define abc(n) do{xxx;yyy;zzz;}while(0)
    #define abc(n)  {xxx;yyy;zzz;}

    加上do while 和不加可能执行结果可能一样，但是内核一般都加
    是怕在执行函数的时候出现错误    
    int a ;
    if(a > 0)
        abc(100);//若用下面的宏定义，加上分号编译出错，是因为在后面加了分号，多加的分号就分割了if / else
    else
        abc(200);
 
    return 0;

################# 内存管理 #################
1、概念：
    MPU 内存保护单元< 有操作系统的一般不用，用 MMU >
        会写一个页表类似的东西，但不是页表，记录下面内存空间的只读、同步等属性
        每一段内存空间的权限：ro sync ex rw nx ...
        示意将内存分为：[0, 0x1000)[0x1000, 0x2000)[0x2000, 0x3000)[0x3000, ...)
    MMU 内存管理单元 MMU = MPU + （查找页表）
        arm9、arm11、armA系列内有 MMU；一般面向应用的电子带有。但是并不是说有操作系统就一定有 MMU    

    如果做工控，控制器一般有 MPU 或没有，eg：cortex-M 和 cortex-R 系列单片机用的就是 MPU；只有面向想飞电子的高端芯片才用 MMU，安装有操作系统的控制器，要实现多任务，多任务会用到虚拟地址，所以需要 MMU。但并使有操作系统就一定有 MMU

2、linux内核管理机制
    bootargs = "mem = 128M" 当初写这个原因就是告诉内核内存有多大，内核就可以计算出用分配多少页表
    内核用的是小页映射 page = 4K
    每个页对应一个结构体 struct page ---> 描述一页的物理内存
        virtual 如果分配过存虚拟地址，没有的就是NULL

    page 结构体在内存中以连续、有序数组存放

    struct zone    //标记的都是物理地址；标准的linux/unix  X86 上这样分配
        DMA    [0 - 16M] //分这16M是历史问题，以前的DMA只有24位，最大访问16M，所以留下这块给DMA用
        NORMAL[16M - 896M]
        HIGH [896M - ...]

    嵌入式    
        2.6.28    DMA[0x50000000, 0x58000000]        此内核只有这一个区
        3.4.24    NORMAL[0x50000000, 0x58000000]    此内核只有这一个区

    只要用到分配内存，不管三七二十一，先包含 <linux/slab.h> 这个头文件

3、MMU：<笔记>
                            MMU
 —————————————————
|                  | ADDR          | TLB     |     |
| ARM core |======        | 缓存     |    | 32位，物理地址
|                  |                     |———--|    |=============
|—————                      |             |    | ADDR
|    CP15                           | 查页表 |    |
|      |                                 |             |    |
|       ---> c2（TTBR）      |             |    |
|           |                           |             |    |
|           |                           |             |    |
 ———|—————————————
            |-----------------------------> 页表基地址
                    
    a>.从arm出来的地址总线上，肯定是物理地址；虚拟地址一定不会出现在地址总线上，
        用到虚拟地址的时候一定是 MMU 打开的情况，MMU拿到虚拟地址后取查页表，找到对应的物理地址，将其放到总线上；如果关闭 MMU，从ARM core中出来的地址就直接上总线了。前期在学裸板的时候，MMU 是关闭的，我们直接访问的就是物理地址。

    b>.MMU
        1.MMU 内有一段缓存，存放的是用过的页表的，
        2.页表的每一个条目（32位，armA8以前的都是，armA9、armA15等为了使用大内存扩宽了）都在一定范围内对应一个虚拟地址和物理地址的对应关系
            MMU 是通过物理地址访问页表的位置的（即找到基地址）
            CP15 可用于开关 MMU，其中的 C2 寄存器内存放着页表的基地之
            访问虚拟地址的时候， MMU 根据 C2里的基地址找到页表的位置，再根据基地址找到相应的条目，找到虚拟地址和物理地址的对应关系

    c>.arm1176 手册的 464 页的图就是一个页表的放大图，此图的上面是低地址，下面是高地址
        这些条目就最后两位的不同，有 4 中情况：

        <1>.00 --- 非法的；此类条目是不能用的，每个进程都会有 4G 的虚拟内存，但不是全部的都会被映射，没映射的内存就是这一类，主要访问这类内存就会出现段错误，
        <2>.01 --- 页映射；对应有二级页表；通过一级页表的31 ～ 20 位找到找到最后两位是 01 的条目，通过一级页表的 31 ～ 10 位找到二级页表的基地址，再根据 19 ～ 12 位作为二级页表的偏移，找到二级页表中对应的相应的条目，二级页表的条目根据最后两位也有 4 种情况：

            （1）00 --- 非法的。与一级页表的相同
            （2）01 --- 64K 大页映射。通过二级页表的31 ～ 16 位作为基地址，知道某个大页的基地址，然后 15 ～ 0 位做偏移找到相对应的条目，得到物理地址
            （3）1x --- 4K 小页映射。通过二级页表的31 ～ 12 位作为基地址，知道某个大页的基地址，然后 11 ～ 0 位做偏移找到相对应的条目，得到物理地址

        <3>.10 --- （bit（18） = 0）普通段映射；普通段映射，1M物理内存; 使用虚拟地址的前12位，做偏移。若找到段映射条目，把页表的31 ～ 20 位拿出，以段对齐，后20 位补 0，找到段，再将虚拟地址的后20位在段内做偏移，找到一个字，就是对应的物理地址；
        <4>.10 --- （bit（18） = 1）超级段映射，16M物理内存；超级段映射方法相同与上面相同

    d>.例子：根据映射关系举个例子，普通段映射eg：虚拟地址：0x12345678,物理地址：0x56000000 ~ 0x57000000
        通过 123 做偏移找到的条目中前 12 位放 560, 映射到物理地址前12位560,后面以 0 补齐，就找到段的起始位置；
        后20位做段内偏移，找到对应的字

    e>.例子：二级页表；例如虚拟地址是0x12345000 找到0x56001000；    
        一级页表从51000000开始
        二级页表从50000000开始

        则在二级页表的第0x45个位置 尾部写10，然后把0x56001放到前31到10位上，二级页表完成
        把一级页表的第123位，尾部写01，写上二级页表起始地址0x50000000的前20位写进去，一级页表完成

4、
               虚拟内存                                             物理内存
    4G ————————                        ————————————
        间接/动态 映射区                                            HIGH
        —————————
        直接/静态 映射区                           ———————————— 896M
  3G ———————— 0xc00000000                   NORMAL

                                                               ———————————— 16M
                                                                                DMA
     0 ————————
                                                                ———————————— 0M

    内核一启动，只会映射直接区，直接映射区是映射到DMA 和 NORMAL 内存处，即低896M内存了；这种映射叫做平坦映射
    内核刚启动的时候 HIGH 是不能访问的
    直接映射区会根据你的物理内存的大小变化，最大是 896M；剩下的都是间接映射区
    HIGH内存一般通过 ioremap 映射到间接映射区；因为间接映射区地址有限，映射完一定要通过 iounmap 释放

5、buddy  内存管理子系统：
    buddy上挂载了55条链表，分成11组（0 ~ 10），每组5条，每条链表上挂载的是5种不同的内存，5种类型的页：
        MIGRATE_UNMOVABLE     0 -- 不可移动的页；启动规定好的，系统工作相关的
        MIGRATE_RECLAIMABLE   1 -- 启动规定好的；系统工作相关的
        MIGRATE_MOVABLE       2 -- 可移动的页；映射文件的都是可移动的，当内核想得到连续的内存，需要移动文件所占的物理内存，内核自动更改页表位置和映射关系，对程序不会产生影响
        MIGRATE_PCPTYPES      3 -- 没用
        MIGRATE_RESERVE       3 -- 没用
        MIGRATE_ISOLATE       4 -- 没用
        MIGRATE_TYPES         5 -- 没用

    buddy子系统是基于MMU的，是管理内存子系统最底层的一层，每一组所挂的链表的节点大小等于 2 的组号次幂 乘以 4K(页的大小)，即 2^（组号） * 4K;
    由上可知， buddy 分配连续的最大物理空间是 4M，可以通过修改结构体 struct zone 中的 MAX_ARDER 的值增加组个数
    
    buddy子系统挂载的永远都是空闲的内存；申请内存时，按照大小是层0组开始一层层的向上的，不够向上层借；释放内层时一样，若是连续内存，大小达到上层要求，就会挂载到上层，一层层的往上

    优点：能最大限度的保证有连续的内存
    缺点：分配方法粗糙，操作范围最小为 4K，会造成内存浪费

    buddy子系统常用函数：
    alloc_pages()    申请连续的页，物理地址连续；
        释放用 __free_pages()
    alloc_page()    申请一页；
        释放用 __free_page()
    __get_free_pages()    与 alloc_pages() 函数没什么区别；
        释放用 free_pages()
    __get_free_page()    与 alloc_page() 函数没什么区别；
        释放用 free_page()
    注：不建议在 buddy 中拿内存

6、slab 子系统
    基于 buddy 子系统的一层子系统

    slab 从buddy子系统中申请的内存分成两类，通用内存、专用内存：
    通用内存：
        可以访问到字节

        申请内存函数：
            < 一下函数带 z 只是会把申请的内存刷成 0 >
            kmalloc() / kzalloc()：所申请的内存虚拟地址和物理地址都是连续的，一般最大 4M
                释放用 kfree()
            vmalloc() / vzalloc()：申请大内存，虚拟地址一定连续，物理地址可能不连续
                释放用 vfree()
                vmalloc / vzalloc 需要自己的头文件 <linux/vmalloc.h>
                申请优先从高端内存（HIGH）分配内存，高端内存没有时再取低端内存
    专用内存：
        可用于进程、网络、...
        用于进程：会提前创建好进程结构体 task_struct ，用就拿，不用送回
        用于网络：会提前创建号缓存 sk_buff，用就拿，不用送回

        创建高速缓存：kmem_cache_create()
            创建一次会有 n 个，大于 n 时，内核会自动再分配 n 个(不同的内核 n 的大小不定)
        拿从高速缓存：kmem_cache_alloc()
        放回高速缓存：kmem_cache_free()
        销毁高速缓存：kmem_cache_destory()

        优先把高速缓存放到硬件cache中
        每一个高速缓存对应于一个结构体 struct kmem_cache,自己创建页需要先创建这么一个结构体,可以通过 kmem_cache 的个数来判断高速缓存的个数
            kmem_cache_creat("name", size，align，flags， ctor)
            name:你的高速缓存的名字
            size：每个元素的大小
            align：0；无用是就填 0
            flags：对其方式；因为高速缓存会被缓存到硬件cache中，所以以硬件cache行的方式对其最快
            ctor：函数指针；会产生 n 个结构体，这个函数会被调用n次，这个函数可自己写，可以用于初始化结构体内某些有规律的成员

7.dma 一致性内存
    注意与 SCU（一致性硬件）的区分
    一致性硬件：
        SCU可以保证一级cash的一致性
        cache分为数据cache和指令cache，
        ddr把东西放到cache，arm再从cache拿
        声卡放音乐的时候，cpu需要把数据写道cache，然后cache数据拿到ddr，dma再从ddr中取数据放到pcmdata，再声卡播放

    要求实时性很强，arm 中的数据一到 cache 中，就立刻需要同步到 DDR（内存）中，DMA会不断从内存中读取数据，这就叫一致性内存

    分配一致性内存：dma_alloc_coherent() / dam_zalloc_coherent()  < z 清零 >
        包含在头文件<linux/dma-mapping.h>
    释放一致性内存：dma_free_coherent()

    DMA 使用的一般都是物理地址，%99.9的可能是这样的；只有很少很少的一部分，会使用虚拟地址，DMA内部就会带有一个硬件，能读取页表

    v = dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size, dma_addr_t *handle, gfp_t gfp)
        参数1：NULL先不需关心
        参数2：申请大小
        参数3：引用回一个物理地址，这个物理地址可以在配置dma通道的时候用
        参数4：GFP_KERNEL

    这种方式是放在动态内存区（间接映射区）这里就相当于是映射了一个设备dma，还有ioremap也是

8、修改页表：
    外设的地址也叫设备内存，一般不会映射到直接映射区

    通过函数 ioremap 将物理地址映射到间接映射区，用完就要用 iounmap 函数释放

    包含头文件 <asm/io.h>
    ioremap(0x7f008000, 0x1000)
    分配地址要以页对齐，因为底层实现一次是一个页（4K）

9、综述：

    映射 修改页表
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    dma 一致性内存
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    slab
    1.物理连续 2.物理不连续 3.高速缓存
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    buddy
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    MMU
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    buddy子系统是内核分配内存的基础，slab从buddy申请内存，然后把内存告诉通用缓存或者专用缓存（slab就是联系buddy和cache的桥梁），在这里能调用kmalloc和zmalloc和创建高速缓存，如果cache需要和内存同步，就要创建一致性内存dma_alloc系列函数，如果在知道物理地址但是不知道虚拟地址的情况下，就需要修改页表来让物理地址映射到间接映射区，这些所有的申请空间函数和都映射到动态映射区，其中dma和ioremap相当于添加了一个设备，即把外部的dma和led等等设备的物理地址映射到动态内存区（间接映射区）

10、函数解析：
    kmalloc/kzalloc(20, GPL_KERNEL);
        GPL_KERNEL：允许函数睡眠
        GPL_ATOMIC：不允许函数睡眠，被打断就返回出错

    vmalloc(20)
        默认传的就是 GPL_KERNEL，在不允许睡眠的情况下不能使用这个函数

11、不同层次申请、释放内存方法：
    代码参考 <path>/code/04mm/*

从buffy子系统里拿

方法1：
    创建页表
    alloc_pages可以申请若干个连续的页
    __free_pages()
    
    alloc_page可以申请一个页
    __free_page()

方法2：
    创建页表
    __get_free_pages() 申请若干页
    free_pages()

    __get_free_page()申请一个页
    free_page()

从slab里拿
方法3：
    创建高速缓存：
    kmem_cache_create()创建高速缓存
    kmem_cache_alloc()申请高速缓存空间（拿东西）
    kmem_cache_free()释放缓存空间（放回去）
    kmem_cache_destroy()销毁高速缓存

为dma申请    
方法4：
    创建一致性内存
    
    dma_alloc_coherent()分配
    dma_zalloc_coherent()//把内存里所有东西都清0
    dma_free_coherent()

为映射创建
方法5：
    例如知道物理地址 0x72000000 然后用ioremap()做映射（映射到间接映射区）用iounmap()释放
    因为在代码里只能访问虚拟地址，所以需要把物理地址映射到间接映射区，然后为了不混淆，用的时候映射，不用的时候释放