梁金荣：Linux内核之内存寻址基础

陈莉君老师门下研究生一枚，初次拥抱Linux，感受到了开源的魅力，支持开放、自由、分享，谢谢大家。

by 梁金荣

内存寻址

• 段号：描述的是虚拟地址空间段的编号

• 基地址：是线性地址空间段的起始地址

• 界限：在虚拟地址空间中，段内可以使用的最大偏移量。

• 属性：表示段的特性。例如，该段是否可被读出或写入，或者该段是否作为一个程序来执行，以及段的特权级等等。

• RPL表示请求者的特权级（Requestor Privilege Level）

  保护模式提供了四个特权级，用0~3四个数字表示 ，很多操作系统（如Linux,Windwos）只使用了其中的最低和最高两个，即0表示最高特权级，对应内核态；3表示最低特权级，对应用户态。保护模式规定，高特权级可以访问低特权级，而低特权级不能随便访问高特权级。

• TI（Table Index）

  TI = 0 ，表示描述符在GDT中，TI = 1，表示描述符在LDT中

• 索引值

  给出了描述符在GDT或LDT表中的索引项号。

段描述符

每个段描述符长度是 8 字节，含有三个主要字段：段基地址、段限长和段属性，其结构如下图。

• 第一步，用最高10位作为页目录项的索引，将它乘以4，与CR3中的页目录的起始地址相加，获得相应目录项在内存的地址。

• 第二步，从这个地址开始读取32位页目录项，取出其高20位，再给低12位补0，形成页表在内存的起始地址。

• 第三步，用中间的10位作为页表中页表项的索引，将它乘以4，与页表的起始地址相加，获得相应页表项在内存的地址。

• 第四步，从这个地址开始读取32位页表项，取出其高20位，再将线性地址的第11~0位放在低12位，形成最终32位页面物理地址。

Linux中的分页

Linux主要采用分页机制来实现虚拟存储器管理，这是因为以下两个原因:

• Linux巧妙地绕过了段机制（线性地址=偏移量）

• Linux设计目标之一就是具有可移植性，但很多CPU并不支持段

目前许多处理器都采用64位结构的，为了保持可移植性，Linux目前采用四级分页模式，为此，定义了四种类型的页表：

页全局目录PGD（Page Global Directory）

页上级目录PUD（Page Upper Directory）

页中间目录PMD（Page Middle Derectory）

页表PT（Page table）

页全局目录PGD包含若干页上级目录PUD的地址， 页上级目录PUD又依次包含若干页中间目录PMD的地址， 页中间目录又包含若干页表PT的地址， 每一个页表项指向一个页框。因此线性地址因此被分成五个部分，而每一部分的大小与具体的计算机体系结构有关。

页表的相关代码见Linux内核源码

include/asm-generic/pgtable-nopud.h include/asm-generic/pgtable-nopmd.h arch/x86/include/asm/pgtable-2level*.h arch/x86/include/asm/pgtable-3level*.h arch/x86/include/asm/pgtable_64*.h arch/x86/include/asm/pgtable_64_types.h

1

实模式

实模式下存储器地址的分段允许的最大寻址空间为1MB（因为8086/8088地址总线宽度是20为 2^20=1048576=1024k=1M），其他的微处理器也为1M， 实际上实模式就是为8086/8088而设计的工作方式，它要解决在16位字长的机器里怎么提供20位地址的问题，而解决的方法是采用存储器地址分段的方法。  从0地址，每16个字节为一小段，而在1MB存储器里每个储存单元都有一个唯一的20位物理地址，便于CPU访问存储器，所以这个20位物理地址由16位段地址和16位偏移地址组成，把段地址（因为是首地址，所以低四位全为0，只取高16位）左移4位再加上偏移地址值就形成物理地址，即物理地址=段地址+偏移地址。

2

保护模式

必要的头文件

#include <linux/init.h>//包含了模块的初始化的宏定义及一些其他函数的初始化函数

#include <linux/module.h>//内核模块必备头文件

#include <linux/mm.h>//// 内存管理相关头文件，含有页面大小定义和一些页面释放函数原型。

#include <linux/mm_types.h>//内存管理相关头文件

#include <linux/sched.h>//进程调度相关头文件

#include <linux/export.h>//必要的头文件

#include <linux/delay.h>//延时函数头文件

//定义全局变量

static unsigned long cr0,cr3;//定义CR0和CR3

static unsigned long vaddr = 0;//定义虚拟地址的全局变量

打印页机制中的一些重要参数

static void get_pgtable_macro(void)

{

cr0 = read_cr0();//获得CR0寄存器的值

cr3 = read_cr3_pa();//获得CR3寄存器的值

printk("cr0 = 0x%lx, cr3 = 0x%lx\n",cr0,cr3);//打印CR0和CR3的值

//_SHIFT宏用来描述线性地址中相应字段所能映射区域大小的位数

printk("PGDIR_SHIFT = %d\n", PGDIR_SHIFT);//打印页全局目录项能映射的区域大小的位数

printk("P4D_SHIFT = %d\n",P4D_SHIFT);//打印P4D目录项能映射的区域大小的位数

printk("PUD_SHIFT = %d\n", PUD_SHIFT);//打印页上级目录项能映射的区域大小的位数

printk("PMD_SHIFT = %d\n", PMD_SHIFT);//打印页中间目录项可以映射的区域大小的位数

printk("PAGE_SHIFT = %d\n", PAGE_SHIFT);//打印page_offset字段所能映射区域大小的位数

//指示相应页目录表中项的个数

printk("PTRS_PER_PGD = %d\n", PTRS_PER_PGD);//打印页全局目录项数

printk("PTRS_PER_P4D = %d\n", PTRS_PER_P4D);//打印P4D目录项数

printk("PTRS_PER_PUD = %d\n", PTRS_PER_PUD);//打印页上级目录项数

printk("PTRS_PER_PMD = %d\n", PTRS_PER_PMD);//打印页中级目录项数

printk("PTRS_PER_PTE = %d\n", PTRS_PER_PTE);//打印页表项数

printk("PAGE_MASK = 0x%lx\n", PAGE_MASK);//页内偏移掩码，屏蔽page_offset字段

}

线性地址转换为物理地址

static unsigned long vaddr2paddr(unsigned long vaddr)

{

//创建变量保存页目录项

pgd_t *pgd;

p4d_t *p4d;

pud_t *pud;

pmd_t *pmd;

pte_t *pte;

unsigned long paddr = 0;

unsigned long page_addr = 0;

unsigned long page_offset = 0;

//获取页全局目录PGD，第一个参数当前进程的mm_struct，所有进程共享一个内核页表

pgd = pgd_offset(current->mm,vaddr);//获得pgd的地址

printk("pgd_val = 0x%lx, pgd_index = %lu\n", pgd_val(*pgd),pgd_index(vaddr));//打印pgd地址和索引

if (pgd_none(*pgd))//判断pgd页表项是否为空

{

printk("not mapped in pgd\n");

return -1;

}

//获取P4D，新的Intel芯片的MMU硬件规定可以进行5级页表管理，内核在PGD和PUD之间，增加了一个叫P4D的页目录

p4d = p4d_offset(pgd, vaddr);//获得p4d的地址

printk("p4d_val = 0x%lx, p4d_index = %lu\n", p4d_val(*p4d),p4d_index(vaddr));//打印p4d地址和索引

if(p4d_none(*p4d))//判断p4d页表项是否为空

{

printk("not mapped in p4d\n");

return -1;

}

//获取页上级目录PUD

pud = pud_offset(p4d, vaddr);//获得pud的地址

printk("pud_val = 0x%lx, pud_index = %lu\n", pud_val(*pud),pud_index(vaddr));//打印pud地址和索引

if (pud_none(*pud)) //判断pud页表项是否为空

{

printk("not mapped in pud\n");

return -1;

}

//获取页中间目录PMD

pmd = pmd_offset(pud, vaddr);获得pmd的地址

printk("pmd_val = 0x%lx, pmd_index = %lu\n", pmd_val(*pmd),pmd_index(vaddr));//打印pmd地址和索引

if (pmd_none(*pmd)) ////判断pmd页表项是否为空

{

printk("not mapped in pmd\n");

return -1;

}

pte = pte_offset_kernel(pmd, vaddr);//获得pte的地址

printk("pte_val = 0x%lx, ptd_index = %lu\n", pte_val(*pte),pte_index(vaddr));//打印pte地址和索引

if (pte_none(*pte)) //判断pte页表项是否为空

{

printk("not mapped in pte\n");

return -1;

}

page_addr = pte_val(*pte) & PAGE_MASK;//获得页框的物理地址

page_offset = vaddr & ~PAGE_MASK;//获得页偏移地址

paddr = page_addr | page_offset;//获得物理地址

printk("page_addr = %lx, page_offset = %lx\n", page_addr, page_offset);

printk("vaddr = %lx, paddr = %lx\n", vaddr, paddr);//打印虚拟地址和转换后的物理地址

return paddr;

}

加载内核模块

static int __init v2p_init(void)

{

unsigned long vaddr = 0 ;

printk("vaddr to paddr module is running..\n");

get_pgtable_macro();//打印主要参数

printk("\n");

vaddr = __get_free_page(GFP_KERNEL);//在内核ZONE_NORMAL中申请一块页面

if (vaddr == 0)

{

printk("__get_free_page failed..\n");

return 0;

}

sprintf((char *)vaddr, "hello world from kernel");

printk("get_page_vaddr=0x%lx\n", vaddr);

vaddr2paddr(vaddr);//调用线性地址转换物理地址的函数

ssleep(600);//延时

return 0;

}

卸载内核模块

static void __exit v2p_exit(void)

{

printk("vaddr to paddr module is leaving..\n");

free_page(vaddr);

}

入口、出口、许可证

module_init(v2p_init);//内核入口函数

module_exit(v2p_exit);//内核出口函数

MODULE_LICENSE("GPL"); //许可证

编译内核模块

使用命令make后，生成如下文件

查看内核模块

使用命令 lsmod

查看系统已插入的内核模块，如下图模块已经加载到内核中

模块运行结果

从图中可以看到CR0、CR3寄存器的值，PGDIR、PUD、P4D、PMD、PAGE目录offset字段的位数、目录项数、地址和索引等，虚拟地址vaddr = ffff9c263611d000, 转换后的物理地址paddr = 800000007611d000。