Linux使用者空間與核心空間__Linux

A.INTRODUCTION     （32位系統）

            

     Linux 簡化了分段機制，使得虛擬位址（邏輯地址）與線性地址總是一致，因此，Linux的虛擬位址空間也為0～4G（2^32）。

      Linux核心將這4G位元組的空間分為兩部分。將最高的 1G位元組（從虛擬位址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供核心使用，稱為“核心空間”。而將較低的3G位元組（從虛擬位址 0x00000000到0xBFFFFFFF），供各個進程使用，稱為“使用者空間“。因為每個進程可以通過系統調用進入核心，因此，Linux核心由系統 內的所有進程共用。於是，從具體進程的角度來看，每個進程可以擁有4G位元組的虛擬空間。

	*進程定址空間0~4G   *進程在使用者態只能訪問0~3G，只有進入核心態才能訪問3G~4G   *進程通過系統調用進入核心態 *每個進程虛擬空間的3G~4G部分是相同的   *進程從使用者態進入核心態不會引起CR3的改變但會引起堆棧的改變

    關於虛擬核心空間（邏輯地址）到物理空間的映射：

           當核心模組代碼或線程訪問記憶體時，代碼中的記憶體位址都為邏輯地址，而對應到真正的實體記憶體地址，需要地址一對一的映射，如邏輯地址0xc0000003對應的物理地址為0×3，0xc0000004對應的物理地址為0×4，… …，邏輯地址與物理地址對應的關係為

物理地址 = 邏輯地址 – 0xC0000000

邏輯地址	實體記憶體地址
0xc0000000	0×0
0xc0000001	0×1
0xc0000002	0×2
0xc0000003	0×3
…	…
0xe0000000	0×20000000
…	…
0xffffffff	0×40000000 ??

      對核心空間來說，其地址映射是很簡單 的線性映射，0xC0000000就是物理地址與線性地址之間的位移量，在Linux代碼中就叫做PAGE_OFFSET。

B.outline

一、Linux使用者空間與核心空間

       refer: http://blog.chinaunix.net/uid-15007890-id-3415331.html
二、Linux進程地址空間的一步步探究        refer:http://soft.chinabyte.com/os/51/12324551.shtml

C.contents

一、Linux使用者空間與核心空間

      Linux 作業系統和驅動程式運行在核心空間，應用程式運行在使用者空間，兩者不能簡單地使用指標傳遞資料，因為Linux使用的虛擬記憶體機制，使用者空間的資料可能被換出，當核心空間使用使用者空間指標時，對應的資料可能不在記憶體中。

      我們知道，linux作業系統每個進程的地址空間都是獨立的，其實這裡的獨立說得是物理空間上得獨立。

1. Linux核心地址映射模型

x86 CPU採用了段頁式地址映射模型。進程代碼中的地址為邏輯地址，經過段頁式地址映射後，才真正訪問實體記憶體。

段頁式機制如下圖。

 

2.Linux核心地址空間劃分

通常32位Linux核心地址空間劃分0~3G為使用者空間，3~4G為核心空間。注意這裡是32位核心地址空間劃分，64位核心地址空間劃分是不同的。

 

3.Linux核心高端記憶體的由來

當核心模組代碼或線程訪問記憶體時，代碼中的記憶體位址都為邏輯地址，而對應到真正的實體記憶體地址，需要地址一對一的映射，如邏輯地址0xc0000003對應的物理地址為0×3，0xc0000004對應的物理地址為0×4，… …，邏輯地址與物理地址對應的關係為

物理地址 = 邏輯地址 – 0xC0000000

邏輯地址	實體記憶體地址
0xc0000000	0×0
0xc0000001	0×1
0xc0000002	0×2
0xc0000003	0×3
…	…
0xe0000000	0×20000000
…	…
0xffffffff	0×40000000 ??

假 設按照上述簡單的地址映射關係，那麼核心邏輯地址空間訪問為0xc0000000 ~ 0xffffffff，那麼對應的實體記憶體範圍就為0×0 ~ 0×40000000，即只能訪問1G實體記憶體。若機器中安裝8G實體記憶體，那麼核心就只能訪問前1G實體記憶體，後面7G實體記憶體將會無法訪問，因為核心 的地址空間已經全部映射到實體記憶體位址範圍0×0 ~ 0×40000000。即使安裝了8G實體記憶體，那麼物理地址為0×40000001的記憶體，核心該怎麼去訪問呢。代碼中必須要有記憶體邏輯地址 的，0xc0000000 ~ 0xffffffff的地址空間已經被用完了，所以無法訪問物理地址0×40000000以後的記憶體。

顯 然不能將核心地址空間0xc0000000 ~ 0xfffffff全部用來簡單的地址映射。因此x86架構中將核心地址空間劃分三部分：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和 ZONE_HIGHMEM。ZONE_HIGHMEM即為高端記憶體，這就是記憶體高端記憶體概念的由來。

在x86結構中，三種類型的地區如下：

ZONE_DMA        記憶體開始的16MB

ZONE_NORMAL       16MB~896MB

ZONE_HIGHMEM       896MB ~ 結束

 

4.Linux核心高端記憶體的理解

前 面我們解釋了高端記憶體的由來。 Linux將核心地址空間劃分為三部分ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM，高端記憶體HIGH_MEM地址空間範圍為 0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF（896MB～1024MB）。那麼如核心是如何藉助128MB高端記憶體位址空間是如何?訪問可以所有實體記憶體。

當核心想訪問高於896MB物理地址記憶體時，從0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF地址空間範圍內找一段相應大小閒置邏輯地址空間，借用一會。借用這段邏輯地址空間，建立映射到想訪問的那段實體記憶體（即填充核心PTE頁面表），臨時用一會，用完後歸還。這樣別人也可以借用這段地址空間訪問其他實體記憶體，實現了使用有限的地址空間，訪問所有所有實體記憶體。如下圖。

例 如核心想訪問2G開始的一段大小為1MB的實體記憶體，即物理位址範圍為0×80000000 ~ 0x800FFFFF。訪問之前先找到一段1MB大小的空閑地址空間，假設找到的空閑地址空間為0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用這1MB的邏輯地址空間映射到物理地址空間0×80000000 ~ 0x800FFFFF的記憶體。映射關係如下：

邏輯地址	實體記憶體地址
0xF8700000	0×80000000
0xF8700001	0×80000001
0xF8700002	0×80000002
…