Linux 内存管理-A.寻址-2

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Paging

Paging unit 用来将 linear address 转换为 physical address，为了高效，linear address 按照一定的长度被分为若干组，称为 pages，并且，内存也被分为各个定长的 page frame (physical pages)，page 和 page frame 的长度是一样的，前者表示一块数据，它可以储存在 page frame 或者硬盘中。

在 paging unit 开始工作之前，kernel 先初始化 page tables，这是一个用来映射 linear address 到 physical address 的表。

Linear address 由三部分组成：

  • Directory，10 bits
  • Table，10 bits
  • Offset，12 bits

地址的转换过程如下，首先从 cr3 寄存器中拿到 page directory 的物理地址，再从 page directory 第 Directory 个表项中得到 table 的物理地址，再在 page table 的第 Table 个表项中得到 page frame 的物理地址，取第 Offset 个表项值，即得到 physical address。

Page directory 和 page table 采用相同的数据结构，表项包含如下 flag。

  • Present，1 则该 page 或者 page table 位于内存，反之则在硬盘中
  • Accessed，当对该 page frame 进行访问（地址转换）时置 1
  • Dirty，如果对该 page frame 进行写操作时置 1，只适用于 page table 表项
  • Read/Write，访问权限，0 则该 page table 或者 page 只读
  • User/Supervisor，优先级，0 则只能被 kernel mode 的进程访问
  • PCD，表示是否在访问 page frame 时使用 cache，linux 缺省使用(=0)
  • PWT，表示写数据到 page frame 时，cache 机制采用 write-back (=0) 还是 write-through (=1)，Linux 使用前者 (write-back 表示只有当 cache 表项需要被更新时，改动才写回内存，write-throught 表示每一次写操作都同时作用在内存和 cache 中)
  • Page Size，如果为 1，则相应表项对应 4MB page frame，只适用于 page directory

上述最后一项 page size flag 用来实现 extended paging，即不使用 page table，page directory 直接对应 4MB page frame，也就是说 directory 10bits，offset 22bits。

众所周知，CPU 的速度远非 RAM 所能比拼的，系统采用 cache 来平衡两者速度不均衡的问题，基于局部性原则 (locality principle)：临近正在被访问数据的数据很有可能接下来被访问。

硬件方面，在 intel 架构中，使用 line unit 来实现低速 DRAM 和高速 SRAM 之间的 caches。cache 被划分为若干 lines，内存和 cache 中的 line 一一对应被称为 direct map，即 line 在内存中的位置必须和 cache 中的位置一致，反之则是 fully associative，即内存中 line 可以储存在 cache 的任意位置，n-way associative，表示内存中的某一 line 在 cache 中有N个位置可以储存。

这样，当系统对某一 linear address 进行取址时，因为 paging unit 和内存之间插入了 cache unit，每一次取址时，将先通过 cache controller 查找，如果 cache hit，则完成取址，如果 cache miss，则继续使用 paging unit 进行取址。当然，cache 不光用于 paging 过程，关于 cache，后面会有博文详细叙述。

除了 cache 之外，系统还采用 translation lookaside buffers (TLB) 来加速 linear address 的转换，每当某一 physical address 被计算出来时，将其存入 TLB 中，从而使得下一次相同 linear address 的地址转换会有相当快的速度。

前面所讲的 paging unit 采用的是两层模型，即 page directory –>page table->offset，Linux 采用三层模型，将 page directory 分为两层：page global directory (10 bits)， page middle directory (10 bits)。如果是 64 位机，则 page 10 bits， offset 13 bits，即只使用地址前 43 位。如为 32 位机，则跟两层模型一样，page middle directory 设为 0 bit。

在 Linear address 中，0x00000000 到 PAGE_OFFSET 用于 user mode 或者 kernel mode, PAGE_OFFSET 到 0xffffffff 只用于 kernel mode。

在 physical address 中，kernel 的指令和数据都位于一组 reserved page frames 中，首地址位于 0x00100000，该组常驻内存，不能被动态 swap out。

下一篇，page frame management…