《深入理解Linux核心》讀書筆記-第二章-記憶體定址(2)

硬體中的分頁：
32位的線性地址被分成3個域：
高10位：頁目錄表
中間10位：頁表
低12位：頁表內位移
使用二級頁表模式的目的在於減少每個進程頁表所需RAM數量。如果是一級頁表，則需高達220個表項，而二級模式只為進程實際使用的那些虛擬記憶體區請求頁表。
 
頁目錄項和頁表項有同樣的結構，均包含了一些屬性欄位。
 
評：段頁屬性欄位的設定很有意義，分段、分頁這種將記憶體結構化、組織化的方式，同時可以增加對某一段或頁的屬性描述資訊，對於記憶體管理來說很有意義，這種組織記憶體的方法思路，正如行政地區的劃分。
 
 
實體位址延伸（PAE）分頁機制：
這一部分在我的另一篇博文中有提到：http://www.bkjia.com/os/201202/120130.html
 
 
硬體快取：
為了縮小CPU和RAM之間的速度不匹配，引入了硬體調整緩衝記憶體。
 
多處理器系統的每一個處理器都有一個單獨的硬體快取，它們需要額外的硬體電路，用於保持不同CPU之間的快取內容的同步。只要一個CPU修改了它的硬體快取，它就必須檢查同樣的資料是否包含在其它的硬體快取中，如果是，它必須通知其它CPU用適當的值對其更新，這種活動叫做快取偵聽。這些活動由硬體處理，核心無需關心。
 
Linux對於所有的頁框都啟用快取，對於寫操作總是採用加回寫策略。
 
轉換後援緩衝器：
記錄上一次線性地址轉換得到的相應的物理地址，以便以後對同一線性地址的引用可以快速地得到轉換。
 
在多處理器系統中，每個CPU都有自己的TLB，稱為該CPU的本地TLB，與硬體快取相反，TLB中的對應項不必同步，這是因為運行在現有CPU上的進程可以使同一線性地址與不同物理地址發生聯絡。
 
 
Linux中的分頁：
在2.6.10版本及之前，Linux採用三級分頁模型，從2.6.11版本開始，採用四級分頁模型：
l 頁全域目錄（Page Global Directory）
l 頁上級目錄（Page Upper Directory）
l 頁中間目錄（Page Middle Directory）
l 頁表（Page Table）
 
對於沒有啟用實體位址延伸的32位系統，Linux取消了頁上級目錄和頁中間目錄，僅使用了兩級頁表。
 
啟用了實體位址延伸的32位系統，Linux取消了上級目錄，使用三級頁表。
 
對於64位系統，Linux根據硬體對線性地址位的劃分來決定採用三級或者四級頁表。
 
實體記憶體布局：
Linux核心安裝在RAM中從物理地址0x00100000開始的地方，也就是從第二個MB開始。
頁框0由BIOS使用，存放加電自檢期間檢查到的系統硬體。
物理地址從0x000a0000到0x000fffff的範圍通常留給BIOS全程，並且映射ISA圖形卡上的內部內在。
第一個MB內的其它頁框可能由特定電腦模型保留。
在啟動過程的早期階段，核心詢問BIOS並瞭解實體記憶體的大小，隨後，核心建立物理地址映射。
核心可能不會見到BIOS報告的所有實體記憶體：如果未啟用PAE支援來編譯，即使有更大的實體記憶體可供使用，核心也只能定址4GB大小的RAM。
 
進程頁表：
進程的線性地址空間分成兩部分：
從0x00000000到0xbfffffff的線性地址，無論進程運行在使用者態還是核心態都可以定址；
從0xc0000000到0xffffffff的線性地址，只有核心態的進程才能定址；
當進程運行在使用者態時，它產生的線性地址小於0xc0000000；當進程運行在核心態時，它執行核心代碼，所產生的地址大於等於0xc0000000。但某些情況下，核心為了檢索或存放資料必須訪問使用者態線性地址空間。
 
核心頁表：
核心維持著一組自己使用的頁表，駐留在所謂的主核心頁全域目錄中，系統初始化後，這組頁表還從未被任何進程或者任何核心線程直接使用；確切的說，主核心頁全域目錄的最高目錄項部分作為參考模型，為系統中每個普通進程對應的頁全域目錄提供參考模型。
那麼，核心如何初始化自己的頁表呢？核心映像剛剛被裝入記憶體後，CPU仍然運行於實模式，所以分頁功能沒有被啟用。
第一階段，核心建立一個有限的地址空間，包括核心的程式碼片段和資料區段、初始頁表和用於存放動態資料結構的共128KB大小的空間。這個最小限度的地址空間僅夠將核心裝入RAM和對其它初始化的核心資料結構。
第二階段，核心充分利用剩餘的RAM並適當建立分頁表。
由核心頁表所提供的最終映射必須把從0xc0000000，即第四個GB開始的線性地址轉化為從0開始的物理地址。
 
固定映射的線性地址：
固定映射的線性地址基本上是一種類似於0xffffc000這樣的常量線性地址，其對應的物理地址不必等於線性地址減去0xc000000，而是可以以任意方式建立。因此，每個固定映射的線性地址都映射一個實體記憶體的頁框。核心使用固定映射的線性地址來代替指標變數。
每個固定映射的線性地址都存線上性地址第四個GB的末端。
 
處理硬體快取：
為了使快取的命中率達到最佳化，核心在下列決策中考慮體繫結構：
一個資料結構中最常使用的欄位放在該資料結構內的低位移部分，以便它們能夠處於快取的同一行中。
註：聚集儲存的資料結構大小可能大於行的大小。
當為一大組資料結構分配空間時，核心試圖把它們都存放在記憶體中，以便所有快取行按同一方式使用。

作者 瘋狂伯德