嵌入式Linux-内存管理基础

嵌入式Linux-内存管理基础
一，内存管理简介
内存管理(Memory Manager)是时Linux内核中的一个非常重要的模块，学习Linux内核必须要了解内存。
下面是一张内存管理的经典模型图，它详细的介绍了内存管理的2个主要职能：
1.地址映射
2.内存分配

二，地址类型
1.物理地址
出现在CPU地址总线上的寻址物理内存的地址信号，是地址变换的最终结果。

2.逻辑地址
代码经过编译后，在汇编代码中出现的汇编地址。

3.虚拟地址
32bit Linux下有4G的虚拟地址空间，在Linux程序中使用的都是虚拟地址。
虚拟地址空间图：

4.线性地址
线性地址 = 虚拟地址
注意：因为Linux中所有段的基地址都为0, 在Linux中线性地址与逻辑地址相同。

因此在Linux中：逻辑地址 = 线性地址 = 虚拟地址。

三，地址转换
在Linux地址转换的基本模式是：
逻辑地址 -> 段式管理单元转换 -> 线性地址(虚拟地址) -> 页式管理单元转换 -> 物理地址
可以看出转换的结果是将：逻辑地址转换为物理地址。

这个转化模式中我们已经了解了3个地址类型，下面介绍两种管理单元。
1.段式管理单元
段式管理单元是x86中的一个典型实现，是为了兼容8086那些CPU的设计，沿用到至今，这里只是介绍一些基本内容，如果你想更进一步的了解，我建议你去学习学习王爽老师<汇编语言>，非常好的一部书，通俗易懂。
因为8086是16Bit，而现在的CPU大多是32Bit，所以段式管理也要分16/32Bit来介绍了。

对于16Bit的CPU：逻辑地址 = 段地址 * 16 + 偏移地址
对于32Bit的CPU：现在的x86 CPU有两个模式，实模式和保护模式。
实模式：就是一个虚拟的8086，所以它的分段机制与16Bit的相同，它的段地址 = 段寄存器 * 16

保护模式：我们在x86的CPU是运行OS时，多数情况下是运行在保护模式下的。它的分段机制就有很大的不同了，它的段寄存器里存储的是段选择符，用该选择符作为内存地址，该内存地址对应的就是32Bit的段地址。
如图：

2.分页管理单元
页：线性地址被分为固定长度的组，称为页，4KB或者8KB，一般都是4KB。
物理页(页框，页帧)：实际的物理内存页，4KB。
如图：分页管理单元将线性地址映射到物理地址

下面是一个2级(页目录，页表)分页管理单元的地址转换模型图：

分页管理有下面一些特征：
1.页目录地址放在CPU的cr3寄存器中。
2.每一个进程，都有其独立的虚拟地址空间，运行一个进程，首先需要将它的页目录地址放到cr3寄存器中，将其他进程的cr3寄存器的值保存下来。
3.每一个32位的线性地址被划分为三个部分：
页目录索引：[31, 22]Directory，10位
页表：[21, 12]Table，10位
偏移： [11, 0]Offset，12位

这是具体的转换步骤：
1，装入进程页目录地址，操作系统在调度进程时，把这个地址装入CR3。
2.根据线性地址前十位，在页目录中，找到对应的索引项，页目录中的项是一个页表的基地址。
3.根据线性地址的中间十位，在页表中找到页的起始地址。
4.将页的起始地址与线性地址的最后12位偏移相加，得到物理地址。

四，总结
本次介绍内存管理相关的内容，这些基础知识对于学习内核来说非常重要，希望能帮助大家。
思维导图：

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