Linux內核：內存管理（1）——內存尋址

內存控制單元（MMU）由分段單元和分頁單元組成。

• 分段單元：將邏輯地址轉換成一個線性（虛擬）地址，給一個進程分配不同的線性地址空間。
• 分頁單元：將線性（虛擬）地址轉化成一個物理地址，把同一線性地址空間映射到不同的物理空間。

其中，邏輯地址由一個段和偏移量組成；線性地址是一個uint32_t，可以表達4G的地址；物理地址用於內存尋址。

1分段單元：邏輯地址—>線性地址

給一個進程分配不同的線性地址空間。

1.1 段選擇符

段選擇符中的字段：

• index，GDT或LDT的段描述符的入口，即其在GDT或LDT中的相對地址
• TI，Table Indicator，TI = 0，GDT 中；TI = 1，LDT 中。
• RPL，請求者特權級。

1.2 段描述符

段描述符大小爲8字節，存於GDT或LDT，描述了一個段的特徵，其Base字段可以得到對應段的首地址的線性地址

4 個主要的 Linux 段的段描述符：用戶代碼段、用戶數據段、內核代碼段、內核數據段

1.3 分段過程

1. 根據段選擇符的 TI 字段，決定從 GDT（gdtr 寄存器） 還是 LDT（ldtr 寄存器） 中取段描述符，獲得一個4字節表頭地址。
2. 將段選擇符的 index 字段（13位，表示第index個）乘以 8（段描述符大小）獲得相對地址，再與 gdtr 或 ldtr 寄存器中的內容相加，得到段描述符地址。
3. 邏輯地址的偏移量與段描述符的 Base 字段值相加，獲得對應線性地址，即虛擬地址。

2 分頁：線性地址—>物理地址

2.1 基本概念

• 頁：線性地址被分成以固定長度爲單位的組 一般爲4kB。
• 頁框：分頁單元把 RAM 分成固定長度的頁框，與頁的長度一致。頁可以存放在任何頁框中。（物理頁）
• 頁表：把線性地址映射到物理地址的數據結構，存放在主存中，在啓用分頁單元前由內核對頁表初始化。

2.2 32位機下的(常規分頁)二級頁表

32 位線性地址被分成 3 個域：

• Directory，目錄，高 10 位。 用於選擇頁目錄中的目錄項，指向適當的頁表。
• Table，頁表，中間 10 位。 選擇頁表中的表項，含有頁所在頁框的地址
• Offset，偏移量，最低 12 位。決定頁框中的相對位置，讀指定偏移量的地址中的內容，最大爲頁大小（4096kB）

活動進程都有一個頁目錄。正在使用的頁目錄的物理地址存放在控制寄存器 cr3 中。
把同一線性地址空間映射到不同的物理空間，分爲兩步：基於頁目錄表（page directory）和基於頁表（page table）。

使用這種二級頁表模式可減少每個進程頁表所需 RAM 的數量。
一級頁表模式若使用4GB線性地址空間，需要2²⁰個表項（4GB/4KB），每項4字節的話也需要4MB的RAM空間。

而二級頁表模式通過進程實際需要一個頁表時纔給該頁表分配RAM來減少內存使用量。

2.3 64位機的情況

64位機並不適合使用二級分頁：
假設每頁4KB = 2¹²byte，則若保證offset可以表達頁的任何一個地址，需要12位。假設我們僅僅使用64位中的48位來尋址，則Directory和Table需要佔36位，我們各分配18位，那麼每個進程的每個頁目錄和頁表都會有2¹⁸個小項。過多的項同時佔據RAM會導致佔用空間過大。
因此64位機下使用3/4級頁表設計。

2.4 硬件高速緩存（SRAM，已獲得物理地址時使用）

硬件高速緩存基於局部性原理（常用的地址在最近的將來被用到的可能性較大），目的是縮小CPU與RAM之間的速度不匹配，由高速緩存內存和高速緩存控制器組成。
硬件上使用了速度較快的SRAM，減少了從速度較慢的DRAM讀寫的時間。
引入“行”單位：高速緩存被細分爲行的子集。大多數高速緩存是 N-路組關聯的，主存中的任意一個行可以存放在高速緩存 N 行中的任意一行。
真正的行存於SRAM、存儲行地址的表項的數組存於高速緩存控制器。
每個表項有一個標籤(tag)，用於辨別行所映射的內存單元。
內存物理地址通常分 3 組，高几位對應標籤，中間幾位對應高速緩存控制器的子集索引，最低幾位對應行內的偏移量。
當我們用一個物理地址 訪問一個 RAM 存儲單元時，CPU 取出物理地址中的子集索引號，並把子集中所有行的標籤與物理地址高几位比較，如果某行的標籤與物理地址的高几位相同，則 CPU 命中一個高速緩存。
在若沒有命中，高速緩存行被寫回內存中，如果有必要則取出放到告訴緩存表項中。

對於讀操作，控制器從告訴緩存行中選擇數據並送回寄存器，不需要訪問RAM，節省了時間。
對於寫操作,又分爲通寫write-through和回寫write-back

高速緩存偵聽：只要一個 CPU 修改了它的硬件高速緩存，它就必須檢查其他硬件高速緩存是否包含相同的數據；如果是，通知其他 CPU 進行更新。由硬件處理，內核無需關心。

2.5 快表、轉換後援緩衝器（TLB）【不太懂？？？】

了硬件高速緩存，TLB 也可以加速線性地址向物理地址轉換。

一個線性地址被第一次使用時，需通過慢速訪問 RAM 中的頁表計算出物理地址。同時，物理地址被存放在一個 TLB 表項中，下次使用同一線性地址時就可以直接從 TLB 中取。

2.6 Linux中的分頁

Linux採用兼容32/64位機 4 級分頁模型：

• 頁全局目錄（Page Global Directory）
• 頁上級目錄（Page Upper Directory）
• 頁中間目錄（Page Middle Directory）
• 頁表（Page Table）

內核爲頁上級目錄和頁中間目錄保留了位置。每個進程有自己的頁全局目錄和頁表集。
對於 32 位系統，如果沒有啓用物理地址擴展，2 級頁表即可，頁上級目錄和頁中間目錄全爲 0。