Linux虛擬內存管理基礎v2研究報告.ppt

Linux虛擬內存管理基礎篇

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用戶地址空間與內核地址空間

Linux將每個進程的4GB的獨立地址空間又劃分為用戶地址空間(0~ 0xBFFFFFFF)和 內核地址空間(0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF)兩部分。

操作系統內核代碼和數據存放在內核地址空間；每個進程自己私有的代碼和數據存放在用戶地址空間

雖然Linux的內核代碼和數據被映射到了每個進程的地址空間中(所有進程看到的內容是相同的)，但在實際的物理內存中，只有內核代碼和數據的一份拷貝。

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用戶地址空間與內核地址空間

用戶態與核心態

一般現代CPU都有幾種不同的指令執行級別

在高執行級別下，代碼可以執行特權指令，訪問任意的物理地址，這種CPU執行級別就對應著內核態

用戶態指相應的低級別執行狀態，代碼的掌控范圍會受到限制，只能執行CPU指令集的一個子集

舉例：intel x86 CPU有四種不同的執行級別0-3，Linux只使用了其中的0級和3級分別來表示內核態和用戶態

0xc0000000以上的內核地址空間只能在內核態下訪問，00xbfffffff的用戶地址空間在兩種狀態下都可以訪問

應用程序可以通過Linux系統調用由用戶態進入內核態

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邏輯地址與物理地址

邏輯地址：程序在運行過程中用來訪問存儲器的地址。程序員在編程時，只需知道邏輯地址，不需考慮該地址與實際物理硬件上的存儲單元如何對應。編譯器在編譯源程序時，也只需考慮邏輯地址。

物理地址：表示物理存儲器中一個存儲單元的實際位置，地址總線上產生的就是物理地址。(總線地址)

在實地址模式下，邏輯地址等于物理地址。在虛擬地址模式下，邏輯地址不等于物理地址，必須經過查表才能轉換為物理地址，因此也叫虛擬地址。

線性地址：2維邏輯地址變為1維地址后，叫線性地址

物理地址

查表 轉換

邏輯地址

虛擬頁

物理頁

0

3

1

null

2

1

3

null

虛擬頁

物理頁

0

2

1

null

2

1

3

null

虛擬頁

物理頁

0

null

1

null

2

1

3

null

物理頁

taken

進程id

0

N

null

1

Y

os

2

Y

2

3

Y

1

進程 1 的頁表

進程id

虛擬頁

硬盤文件名

偏移量

進程 2 的頁表

進程 3 的頁表

內頁表

外頁表

CR3寄存器

CPU負責查表(虛擬地址->物理地址)，查表失敗時觸發缺頁異常(14號)；

OS負責填充各個表的內容，并提供缺頁中斷的中斷服務器程序。

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X86處理器對VM的支持

MMU單元：(1)自動查表，將當期指令中的邏輯地址轉化為物理地址; (2)觸發缺頁異常。

32bitCPU支持2級頁表：頁目錄表，頁表。10+10+12

64bitCPU支持4級頁表：9+9+9+9+12

專用寄存器CR3中存放了當前有效的頁目錄表的物理地址。

專用寄存器CR2用于存放觸發缺頁異常的線性地址。

轉換旁視緩沖區TLB：將常用的邏輯/物理轉換關系緩存到CPU。當頁表被修改，或有效頁表切換時需調用專用指令刷新TLB。

flush_tlb_all, flush_tlb_mm, flush_tlb_range, flush_tlb_page

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32bit Intel x86的頁表

在32位CPU上，地址空間為2^32，一個內存頁大小為2^12，則共有2^20個頁，頁編號范圍0~2^20-1，因此頁表中的一行至少要用3個字節(存儲頁編號是必須的)，但實際上頁表中一行占4個字節。

80386CPU中一個頁表項的定義如下：

Present標志、Accessed標志、Dirty標志、Read/Write標志、User/Supervisor標志、……

如果present標志為0，分頁單元就把這個線性地址存放在處理器的CR2寄存器中，并產生一個14號缺頁異常

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頁表項或頁目錄項中的標志

Present標志：所指內容是否存在

Accessded標志：所指內容被訪問之后自動置1

Dirty標志：所指內容被修改后自動置1

Read/Write標志：所指內容的讀寫權限

User/Supervisor標志：所指內容的訪問特權要求

PCD/PWT：是否運行被緩存至Cache

PageSize：頁大小：4K，4M，2M

Global標志：防止頁從TLB中刷新出去

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兩級頁表

為了節省內存，32位CPU采用了兩級頁表

第一級為頁目錄，每個表項存儲了第二級頁表的物理地址。

第二級頁表的每個表項存儲了一個虛擬頁所對應物理頁的物理地址。

32位的虛擬地址被分成3個域

目錄(directory)最高的10位

頁表(Table)中間的10位

頁內偏移量(offset)最低的12位

程序

總結

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