内存布局与映射关系

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虚拟内存的布局划分与其对应的物理内存之间的映射关系

32位系统

32位系统最大可以访问内存地址范围为0 ~ 4G，这4G内存的被分为用户空间内存和内核空间内存

  • 用户空间：0x0000_0000 ~ 0xBFFF_FFFF (0G ~ 3G)
  • 内核空间：0xC000_0000 ~ 0xFFFF_FFFF (3G ~ 4G)

虚拟地址划分

Linux下32位寻址空间的大致分布（虚拟内存）：

32bit内存划分

虚拟地址与物理地址之间的关系

32bit内存虚拟地址与物理地址之间的关系

虚拟内存和物理内存的转换通过MMU硬件来实现

32位CPU可以访问的寻址范围只有4G，因此如果物理内存大于4G时，应该如何处理？

目前在linux系统中可以通过PAE可以支持物理内存超过4G的访问，但是此时CPU也必须支持PAE功能，这部分后面有机会研究了详细说明。

在之前一直以为物理内存超过4G与高端内存有关，而实际上高端内存的产生至于虚拟内存地址范围有关，与物理内存无关。

高端内存

High Memory: 解决的问题是在32位CPU下虚拟机地址空间不足带来的问题。

原因：

在内核中我们要进行频繁的虚拟地址（VA）和物理地址（PA）操作，在这种情况下，如何高效的进行VA to PA的转换就很重要。可是如果按照多级页表路径查找，内存访问开销就比较大，因此采用了另一种简单的”fix-mapping”思路，将0xc000 0000~0xffff ffff虚拟地址直接映射到0x0000 0000~0x3fff ffff,也就是将虚拟地址空间最高1G全部映射到物理地址空间最低的1G上，这样VA与PA之间就存在3G的固定偏移，这样PA=VA-3G。

这样使用简单高效，但是也存在局限性，就是在内核空间只能使用1G的物理内存。但是随着技术的发展1G大小的内核空间已经无法满足内核的使用，因此需要将内核空间增大，有人提议重新划分用户空间和内核空间的比例，比如不按照3：1,使用2.5：1.5等，但由于一些特殊场景（比如用户空间使用的内存非常多）会使得用户态运行效率降低，同时带来一些非对其问题，因此也不是一个很好的办法。

最后就引入了高端内存，将内核空间的1G地址，分为两部分，一部分同样采用fix-mapping，另一部分用来dynamic mapping,以X86为例，实际中的做法是，0xC000 0000-0xF7FF FFFF的896MB用作fix-mapping，0xF800 0000-0xFFFF FFFF的128MB用作dynamic-mapping，前者仍然对应于物理地址的0x0000 0000-0x37FF FFFF（只不过部分要优先分配给DMA）；后者就是所谓的high memory。

实际上high memory还被划分为了3个区域，一部分用于vmalloc分配虚拟地址上连续的内存，一部分用于较长期的动态映射（persistent kernel mappings），还有一部分用于编译时可以直接分配物理地址的高端固定映射（fixmaps）
内核空间划分

  • 虚拟内存中连续、但物理内存中不连续的内存区,可以在vmalloc区域分配。该机制通常用于用户过程,内核自身会试图尽力避免非连续的物理地址。内核通常会成功,因为大部分大的内存块都在启动时分配给内核,那时内存的碎片尚不严重。但在已经运行了很长时间的系统上,在内核需要物理内存时,就可能出现可用空间不连续的情况。此类情况,主要出现在动态加载模块时。
  • 持久映射用于将高端内存域中的非持久页映射到内核中
  • 固定映射是与物理地址空间中的固定页关联的虚拟地址空间项,但具体关联的页帧可以自由选择。它与通过固定公式与物理内存关联的直接映射页相反,虚拟固定映射地址与物理内存位置之间的关联可以自行定义,关联建立后内核总是会注意到的。

在linux中高端内存的大小，可以通过启动参数进行指定：

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highmem=nn[KMG] [KNL,BOOT] forces the highmem zone to have an exact
        size of <nn>. This works even on boxes that have no
        highmem otherwise. This also works to reduce highmem
        size on bigger boxes.

Documentation/admin-guide/kernel-parameters.txt

在64位系统中，不存在这个问题，因此64位系统的内存划分不存在高端内存（High Memory）

PAE

  • linux内存管理之PAE（物理地址扩展）解决内存大于4G的问题

虚拟内存空间与进程地址空间

32bit_RAM_layer_

64位系统

环境：arm64CPU，linux系统

64bit内存地址可用空间为0x0000 0000 0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF FFFF FFFF

64位CPU的寻址分三种:

64位寻址区域划分

ARM64架构的处理器采用的是48位的物理寻址方式。用户空间和内核空间最大支持256TB的地址空间。

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config ARM64_PA_BITS_48
    bool "48-bit"
  • 内核空间 ：0xFFFF 0000 0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF FFFF FFFF (256TB)
  • 非规范区 ：0x0000 FFFF FFFF FFFF ~ 0xFFFF 0000 0000 0000 (未使用）
  • 用户空间 ：0x0000 0000 0000 0000 ~ 0x0000 FFFF FFFF FFFF (256TB)

48位寻址划分

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AArch64 Linux memory layout with 4KB pages + 4 levels (48-bit)::

  Start         End         Size        Use
  -----------------------------------------------------------------------
  0000000000000000  0000ffffffffffff     256TB      user
  ffff000000000000  ffff7fffffffffff     128TB      kernel logical memory map
  ffff800000000000  ffff9fffffffffff      32TB      kasan shadow region
  ffffa00000000000  ffffa00007ffffff     128MB      bpf jit region
  ffffa00008000000  ffffa0000fffffff     128MB      modules
  ffffa00010000000  fffffdffbffeffff     ~93TB      vmalloc
  fffffdffbfff0000  fffffdfffe5f8fff    ~998MB      [guard region]
  fffffdfffe5f9000  fffffdfffe9fffff    4124KB      fixed mappings
  fffffdfffea00000  fffffdfffebfffff       2MB      [guard region]
  fffffdfffec00000  fffffdffffbfffff      16MB      PCI I/O space
  fffffdffffc00000  fffffdffffdfffff       2MB      [guard region]
  fffffdffffe00000  ffffffffffdfffff       2TB      vmemmap
  ffffffffffe00000  ffffffffffffffff       2MB      [guard region]

48位寻址划分

参考

  • linux的高端内存是什么？
  • Documentation/arm64/memory.rst
  • Documentation/x86/x86_64/mm.rst