Linux 内存管理-A.寻址-1

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这一个系列将会详细的介绍 Linux kernel 内存管理机制。

使用特定内存地址就可以访问某一块内存单元，为了实现有效的寻址，操作系统将一系列繁琐的操作隐藏了起来，内存地址按照不同的抽象层次分为如下三种：

  1. Logical address: 标识运算符或者程序指令的地址，由段号 (segment selector) 和偏移量 (offset) 组成。
  2. Linear address: 32位的无符号整型数，可以用来表示最大4GB地址空间。
  3. Physical address：内存物理单元的地址。

CPU 控制单元通过 Segmentation Unit 将 Logical address 转换为 Linear address，而后，再通过 paging unit 将 linear address 转换为 physical address，至此，特定地址的访问行为完成。

Segmentation Unit

Logical address 由两部分组成，用来标识段的 segment selector (16 bits) 和用来表示偏移量的 offset (32 bits)。为了更快的读取 segment selector，处理器提供了六种段寄存器来存储 segment selector，cs (code segment), ss (stack segment), ds (data segment), 以及另外三种可以表示任意段的寄存器。

为了表示段的特征，引入 segment descriptor (8 bits)，存储在 GDT (Global Descriptor Table) 或者 LDT (Local Descriptor Table) 中，一般情况下，整个系统只有一个 GDT，其地址在 gdtr 寄存器中，每一个进程有自己对应的 LDT，存于 ldtr 寄存器中。

Segment descriptor 组成部分如下：

  • Base (32 bits), 保存段首字节的 linear address；
  • G (1 bit), 0 则段大小以 bytes 为单位，反之以 4096 bytes 为单位；
  • Limit (20 bits), 标识段的长度；
  • S (1 bit), 0 则该段储存 kernel 数据结构，反之为一般指令或数据段；
  • Type (4 bits), 表示段类型以及相应的访问权限，四种类型将在下面详述；
  • DPL (2 bits), descriptor privilege level，用来表示可以访问该段的最低 CPU 优先级 (privilege)，0 最高，只有 kernel mode 的进程才可以访问，3最低，任何 CPL 值都可以访问；
  • Segment-Present (1 bit), 表示该段是否在内存中，Linux 中，段常驻内存，因而不会被 swap out 到硬盘，所以为1；
  • D (段包含代码) / B (段包含数据) (1 bit), 0 则 offset 使用 32 bits 地址长度，反之 16 bits；
  • reserved bit, 0；
  • AVL (1 bit), Linux 不用。

Segment 常见的四种类型如下：

  1. Code Segment Descriptor: 对应指令段 (code segment)，S=1，GDT/LDT皆可；
  2. Data Segment Descriptor: 对应数据段 (data segment)， S=1，包含 stack segment，GDT/LDT皆可；
  3. Task State Segment Descriptor: 对应任务状态段 (task state segment)，用来存储寄存器的内容，只能处于 GDT，S=0，Type=9/11；
  4. Local Descriptor Table Descriptor，对应包含 LDT 的 segment，同3，只能处于 GDT，S=0，Type=2。

前面提到过，logical address 由 segment selector 和 offset 组成，segment selector包含3个部分：

  • index (13 bits), GDT 或者 LDT index；
  • TI (Table Indicator) (1 bit), TI=0, 则该 segment descriptor 在 GDT 中，TI=1，LDT中；
  • RPL (Request Privilege Level) (2 bits), 当 segment selector 存入 cs 寄存器时 CPU 的权限级别。

通常情况下，为了得到一个 segment descriptor，

  1. 查看 TI，判断 segment descriptor 存储于哪一个表中，GDT (gdtr) 或者 LDT (ldtr)；
  2. 根据 index 计算基于表首地址的偏移量，index * 8，然后再跟 gdtr 或者 ldtr 所存储地址相加，得到 segment descriptor 地址；
  3. segment descriptor Base 部分保存该段首字节的 linear address，再加上 logical address 后半部分 offset，就可得 linear address。

为了提升向 linear address 转换的速度，处理器又额外提供了个寄存器，该寄存器不可被程序改写，专门用来存储 8 位 segment descriptor 每当 segment selector 存入寄存器时。这样，就不需要再访问 GDT 或者 LDT，而只需要直接读取寄存器，直到该寄存器中内容改变。

Linux 中所有的进程使用相同的 logical address，因而段的总数不会太大，GDT 就可以存储所有的 segment descriptor (包括 LDT)。出于以下两个原因，Linux 较少的使用 segmentation 而更多的使用了 paging 机制来寻址：

  1. 当所有的进程使用相同的 segment 寄存器时，内存管理较为简单，即所有进程共享 linear addresses；
  2. Linux 设计的目标包括可移植性，一些 RISC 处理器不能很好的支持 segmentation。

Linux 使用的段类型包括 kernel code segment, kernel data segment, user code segment, user data segment, task state segment, local descriptor table segment，各个 segment descriptor 的 Base 值是一样的。对于各个进程而言，GDT 包含了两种不同的 segment descriptor，TSS 和 LDT。LDT 通常是被各个进程共享的，并且当进程需要时，可以使用系统调用来创建自己的 LDT，但是 kernel 没有真正的使用 local descriptor table。

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