linux使用者空間和核心空間之細說

從以上幾講我們知道，Linux簡化了分段機制，使得虛擬位址與線性地址總是一致，因此，Linux的虛擬位址空間也為0～4G。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。
Linux使用兩級保護機制：0級供核心使用，3級供使用者程式使用。可以看出（這裡無法表示圖），每個進程有各自的私人使用者空間（0～3G），這個空間對系統中的其他進程是不可見的。最高的1GB位元組虛擬核心空間則為所有進程以及核心所共用。
1．虛擬核心空間到物理空間的映射
核心空間中存放的是核心代碼和資料，而進程的使用者空間中存放的是使用者程式的代碼和資料。不管是核心空間還是使用者空間，它們都處於虛擬空間中。讀者會問，系統啟動時，核心的代碼和資料不是被裝入到實體記憶體嗎？它們為什麼也處於虛擬記憶體中呢？這和編譯器有關，後面我們通過具體討論就會明白這一點。
雖然核心空間佔據了每個虛擬空間中的最高1GB位元組，但映射到實體記憶體卻總是從最低地址（0x00000000）開始。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。

我們來看一下在include/asm/i386/page.h中對核心空間中地址映射的說明及定義：
/*
* This handles the memory map.. We could make this a config
* option, but too many people screw it up, and too few need
* it.
*
* A __PAGE_OFFSET of 0xC0000000 means that the kernel has
* a virtual address space of one gigabyte, which limits the
* amount of physical memory you can use to about 950MB.
*
* If you want more physical memory than this then see the CONFIG_HIGHMEM4G
* and CONFIG_HIGHMEM64G options in the kernel configuration.
*/

#define __PAGE_OFFSET (0xC0000000)
……
#define PAGE_OFFSET ((unsigned long)__PAGE_OFFSET)
#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
原始碼的注釋中說明，如果你的實體記憶體大於950MB，那麼在編譯核心時就需要加CONFIG_HIGHMEM4G和CONFIG_HIGHMEM64G選項，這種情況我們暫不考慮。如果實體記憶體小於950MB，則對於核心空間而言，給定一個虛地址x，其物理地址為"x-
PAGE_OFFSET"，給定一個物理地址x，其虛地址為"x+ PAGE_OFFSET"。
這裡再次說明，宏__pa()僅僅把一個核心空間的虛地址映射到物理地址，而決不適用於使用者空間，使用者空間的地址映射要複雜得多。
2．核心映像
在下面的描述中，我們把核心的代碼和資料就叫核心映像（kernel
image）。當系統啟動時，Linux核心映像被安裝在物理地址0x00100000開始的地方，即1MB開始的區間(第1M留作它用)。然而，在正常運行時，
整個核心映像應該在虛擬核心空間中，因此，串連程式在串連核心映像時，在所有的符號地址上加一個位移量PAGE_OFFSET，這樣，核心映像在核心空間的起始地址就為0xC0100000。
例如，進程的頁目錄PGD（屬於核心資料結構）就處於核心空間中。在進程切換時，要將寄存器CR3設定成指向新進程的頁目錄PGD，而該目錄的起始地址在核心空間中是虛地址，但CR3所需要的是物理地址，這時候就要用__pa()進行地址轉換。在mm_context.h中就有這麼一行語句：
asm volatile("movl %0,%%cr3": :"r" (__pa(next->pgd));
這是一行嵌入式彙編代碼，其含義是將下一個進程的頁目錄起始地址next_pgd，通過__pa()轉換成物理地址，存放在某個寄存器中，然後用mov指令將其寫入CR3寄存器中。經過這行語句的處理，CR3就指向新進程next的頁目錄表PGD了。