文章大部分表述图片来自 ： https://www.jeanleo.com/2021/07/06/linux内存管理剖析/ 。 非原创
内存是如何给读取的
计算机上电启动的时候，BIOS会检测并计算物理内存大小。比方说现在通用的内存都是DIMM针脚插槽类型的，它的PIN针脚有两百多个，各个针脚各有自己的定义，BIOS就是通过对不同针脚的高低电平设置，由内存反馈其规格信息给BIOS，然后BIOS计算出容量。大概原理就这样了。但是我们重点是操作系统需要感知主机的内存空间，它是怎么知道的呢？它是通过BIOS提供的接口去询问出来的。这个接口就是0x15中断，其中参数重点参数是ax寄存器中需要设置值e820。然后通过intcall(0x15, &ireg, &oreg)中断调用，由BIOS通过oreg.di出参将内存信息返回回来。该实现在/arch/x86/boot/memory.c中的detect_memory，由于代码出参oreg.di也是ireg.di传进去的值，所以代码里面直接读了buf空间内存。由于每调用一次intcall只会返回一条内存数据信息，所以会循环调用多次才能够探明整个内存空间。
也就是说 操作系统 --> BIOS中断 中断来感知内存空间的，这个0x15是一个中断号 ，定义在中断表述表，而这个中断表又是从哪里来的呢？我们在上篇文章 里写道加载 BIOS 的环节会加载中断表。
计算机刚开机的时候只有1M的内存可以使用。 此时内存会被各种外设瓜分,映射在内存的相应区域。同理,BIOS里的信息会被映射到内存的一段连续的区域中(0xC0000–0xFFFFF),其中最为关键的系统BIOS被映射到了0xF0000–0xFFFFF位置,CPU开机就是执行了系统BIOS这块内存区域中的代码,注意BIOS中的程序还会占用内存开头的一些区域,如把中断向量表写在了内存开始的位置。
在开机的一瞬间,CPU中的PC寄存器被强制初始化为0xFFFF0。BIOS程序的入口地址就是0xFFFF0,然后CPU就开始跑起来,执行BIOS中的程序。
中断0x15有三个子功能，子功能号放到EAX或者AX中，其简要说明：
- EAX = 0xE820 遍历所有内存
- AX = 0xE801 分别检测低 15 MB 和 16 MB ~ 4 GB的内存，最大支持 4 GB。
- AX = 0x88 最简单的子功能，只能检测64MB的内存，若超过也只返回 64 MB。
具体的子功能讲解见这篇文章
内存由谁来读取
内存探测必然是kernel吗？答案是否定的。先说一下kernel的binary文件吧，它通常放在/boot/下面，名字通常命名为vmlinuz。这个文件是由setup.bin和vmlinux构造而成，其中vmlinux又由kernel编译目录arch/x86/boot/compressed下的cmdline.o、head.o、kaslr.o等连同压缩后的vmlinux.bin.gz合并构成。其中检测内存的detect_memory()函数就是在setup.bin里面，但是这仅限于Grub legacy（即Grup 0.97到1.97版本）引导kernel的时候，setup.bin才会被执行到，也就是仅在该情况下内存探测才是由kernel引导的领头羊去完成的。
到了Grub2（即Grub 1.98到现在最新版本）引导linux系统的时候，则由Grub直接探明内存布局，然后解析vmlinuz文件，并且直接加载vmlinux部分的内容到内存中并跳转执行head_32函数，而内存布局则通过参数boot_params传递执行。
谁探明内存布局对内存管理有影响吗？没影响的，所以这里是可以忽略的废话。既然废话就多说两句，为什么要分开setup.bin和vmlinux呢？这是因为setup.bin运行在实模式下面，而vmlinux则运行在保护模式下面。所以也就是说grub2是进入了保护模式后才加载引导的kernel。
我们从上面的描述中知道了，内存读取这个动作发起人，不一定是内核，以现在GRUB作为操作系统引导程序来说，内存读取这个动作是由GRUB来发起触发BISO中断，进行内存探测的，这其中讲到实模式和保护模式，我们后续会讲到 。
内存读取以后
管理-探知的e820表如何处理？是如何被管理的
前面已经知道了如何探明内存空间得到e820图，得知了内存的位置、大小和类型。在e820__memory_setup()函数内会将重叠的内存空间根据属性进行筛选，并将同属性的相邻内存空间进行合并处理。整个处理过程如右侧所示，虽然实现上会对内存进行分割合并处理，但是实际上内存并不会这么错乱重叠的。处理完毕后，会通过e820__print_table()对外打印。通过dmesg可以看到如图左侧所示的信息。
那么是如何分割和合并的呢？ 可以看到重叠的部分就会合并，而分散的部分则是合并 ，
使用-内存（指被 Memblock 管理的内存）划分分配
内存是连续的吗？
物理内存是连续的，但是细心的话，可以发现e820提供的数据中并不连续，中间0xA0000到0xFFFFF的内存并未在其中。这是历史原因遗留下来的，它并非不存在，而是被BIOS保留下来用作显卡显存的映射以及BIOS自留给ROM使用的空间。所以呈现出来有一个空洞位置。
对此我们可以通过/proc/iomem查看到这些物理内存被如何划分分配。iomem主要呈现系统中设备的物理布局，包括未被e820所呈现的，它甚至能够将kernel在物理内存的加载位置呈现出来。
我们这里就可以知道 dmesg 命令看到的是计算机开始探测到的内存空间 ，而 cat /proc/iomem 则是BIOS虚拟地址在物理内存上的一个映射可以看见貌似只使用了 1MB 的空间 ，关于着 1MB 的相关知识点见 A20 。
那么 Memblock 上的内存 又是如何被分配出去的呢 ？ Memblock 内存维护着两个 struct :
-
memory : 指向系统可用物理内存区
-
reserved : 指向系统预留区 （就是给分配出去了）
memblock管理表由命名为memblock的全局数据结构变量管理，它主要通过可用内存memory和保留内存reserved两个成员结构体变量区分管理。 例如可用内存全部都挂入到memblock.memory.regions下，该可用内存同时又以全局变量数组memblock_memory_init_regions而命名，该数组成员主要记录内存的基址、大小和类型，如图显示的是该算法的管理结构关系。类似的被保留的内存则在memblock_reserved_init_regions全局数组结构下管理。 于此阶段，我们可以通过memblock_alloc()和memblock_free()对内存进行申请释放，而分配的方式很简单，根据需要分配的size到可用的内存空间memblock_memory_init_regions中去查找连续的等大小空间，然后将其分割开来，将分配出去的挂入到memblock_reserved_init_regions管理区中，而剩余的则放回到memblock_memory_init_regions。尤其是如果我们需要申请永久保留的内存可在此申请，即后续内存管理将不会对此内存进行分配回收管理。 memblock内存管理只是一个过渡形态，不会长期存在，毕竟如此任意分割内存的分配方式长久运行后会导致严重的碎片化。因此后面将会建立内存映射，构造内存管理框架。
来自参考资料中的描述我们知道此阶段的内存分配非常简单，就是在两个数组里任意分配，有可能会造成内存碎片化， 但是此时分配的内存是给什么的呢？上面分配的内存就是给上图用的。
具体相关的底层逻辑见 ：
查看读取出来的内存够空间
Linux dmesg 命令, kernel 会将开机信息存储在 ring buffer 中。您若是开机时来不及查看信息，可利用 dmesg 来查看。开机信息亦保存在 /var/log 目录中，名称为 dmesg 的文件里。
命令 :
dmesg | less
查看虚拟地的映射的分布
cat /proc/iomem
虚拟地址映射的内容
其他
中断
关于“中断”，参考资料中有篇文章有详细介绍到。
中断，英文名为Interrupt，计算机的世界里处处都有中断，任何工作都离不开中断，可以说整个计算机系统就是由中断来驱动的。那么什么是中断？简单来说就是CPU停下当前的工作任务，去处理其他事情，处理完后回来继续执行刚才的任务，这一过程便是中断。
两张图可以知道中断的类型
总结
这一节主要是讲介绍物理内存空间是如何被读取出来的，然后读取出来以后又是如何被管理和分配的，其中涉及到 BIOS 的相关知识点，比如 BIOS 中断调用，还有包括memblock 这个结构去管理内存的，在 使用-内存（指被 Memblock 管理的内存）划分分配 章节我们也知道了BIOS 在 memblock 上申请了 1MB 的空间来映射一些内容，包括 BIOS 映射区， DOS 暂存区等 。
最后我们还介绍了两个查看内存相关的方式 ，一个是查看物理空间被读取出来后的内存全貌，一个是虚拟地址上的内存分布， 各个位置放着什么东西 。
参考资料
- linux内存管理剖析
- 一文讲透计算机的“中断”
- 操作系统之GDT和IDT（三）
- 7月16日-浅析Linux内存管理-史登轩.pdf
- BIOS 中断的知识