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通过本文,你可以了解:
1. 存储器硬件结构;
2.分段以及对应的组织方式;
3.分页以及对应的组织方式。
注1:本文以Linux内核2.6.32.59本版为例,其对应的代码可以在http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/longterm/v2.6.32/linux-2.6.32.59.tar.bz2找到。
注2:本文所有的英文专有名词都是我随便翻译的,请对照英文原文进行理解。
注3:推荐使用Source Insight进行源码分析。
内存组织
计算机内存属于随机存储器(RAM),目前PC机广泛使用的是DDR
SDRAM,即“双倍速率同步动态随机存储器”,其本质上仍然是由n bits*m KB个内存芯片组成的,比如如果我们需要8位64KB的内存,则我们就需要2*8=16块4bits*8KB的内存块。由于计算机通常是以字节(Byte)进行数据交换的,所以对内存的地址编码一般使用字节,如上我们有64KB内存,则其地址编码为0×0000~0xFFFF,称为物理地址。对于32位机来说,由于其“地址寄存器(AR)”是32位,也就限制了其内存的最大寻址范围是2^32=4GB。
Linux将物理地址按4KB的大小划分成“帧(Frame)”。为什么是4KB?因为每一个帧都需要用一个C结构体来描述,称之为“帧描述单元(Frame Discriptor)”,如果太小,帧描述单元显然太多了,如果太大,那么在内存分配时又会造成“内碎片(InnerFragments)”。早些时候,计算机的内存址都是直接映射的,由于程序里的地址是写死的,这就意味着每段程序每次都只能映射对应的地址空间。这无论对程序设计者与系统都是相当大的负担。Linux使用“分段”加“分页”来解决此问题。由于它们的存在,内存地址进入了逻辑地址时代。Linux有三种地址:逻辑地址(LogicAddress)、线性地址(Linear Address)与物理地址(Physics Address)。其关系如下:
另外,Linux支持众多CPU架构,这里只研究X86的,对应的源代码为:…/X86/… 路径。 Linux中的分段 Linux 并不使用太多的分段,原因是某些RISC机器对分段的支持不好。为此Linux的分段都存在“全局描述表(GDT)”中,GDT是一个全局 desc_struct数组(位于linux-2.6.32.59\arch\x86\include\asm),其结构如下: #define GDT_ENTRIES 16 struct desc_struct gdt[GDT_ENTRIES]; struct desc_struct { union { struct { unsigned int a; unsigned int b; }; struct { u16 limit0; // 段大小 u16 base0; // 段起始位置 unsigned base1: 8, type: 4, s: 1, dpl: 2, p: 1; // type表示段类型,占4位;dpl指的段运行权限,占2位 unsigned limit: 4, avl: 1, l: 1, d: 1, g: 1, base2: 8; //d 表示内存地址位宽,占1位 }; }; } __attribute__((packed)); 所以我们可以看出,段描述结构体占8个字节,至于里面的a,b,那是老的方式,后来使用C++ Struts的Bit Fields后更方便了。type类型由以下几种: enum { DESC_TSS = 0×9, DESC_LDT = 0×2, DESCTYPE_S = 0×10, /* !system */ }; Linux主要使用以下几种段: 内核代码段(Kernel Code Segment):type=10,dpl=0 内核数据段(Kernel Data Segment):type=2,dpl=0 用户代码段(User Code Segment):type=10,dpl=3 用户数据段(User Data Segment):type=2,dpl=3 任务状态段(Task State Segment),每进程一个:type=9,dpl=3 其它类型可以参见linux-2.6.32.59\arch\x86\include\asm\segment.h,里面有非常详细的说明。 它们都存储在“全局描述符表(GDT)”。Linux本身并不使用“局部描述符表(LDT)”,当一个进程被创建时,其指向的是一个默认的LDT,不过系统并不阻止进程创建它。也就是说一个进程最多两个段描述符:TSS与LDT。由于Segment Selector为16位(为什么只有16位,这个就是历史原因了,由于X86在Real Mode下段地址只有20位,其中有效的就是16位,详见:x86 memory segmentation,但Linux段内偏移地址高达32位,所以线性地址总共是48位),其中有效的索引位仅有13位,所以GDT的最大长度为213-1=8192,除去系统保留的12个,留给进程的只有8180个入口,那么就意味Linux进程的最大数为8180/2=4090。需要注意的是,进程在创建的时候并不会马上创建自己的LDT,其指向的是GDT一个默认的LDT,里面的SD为null。只有在需要的时候进程才创建自己的LDT并把它放入GDT中。所以不管是LDT也好,TSS也好,它们都存放在GDT里面。而对于UCS与UDS,所有的进程共享一个。这样地址空间不会重复吗?不会,因为线性不是最终的物理地址,每个进程还有自己的页表,所以最终映射到物理地址是不同的。 下面我们来看看段中地址是如何转换的。假设我们需要访问内核数据段的0×00124部分,由代码知其GDT的入口为13,那么其对应的内存地址=gdtr+13*8+0×00124,假设gptr为0×02000,则最终的结果为0×02228。gdtr是一个寄存器,其为48位,用来保存GDT的第一个字节线性地址与表限。其过程如图所示:![]() ![]() ![]() 转载请保留固定链接: https://linuxeye.com/Linux/1931.html |
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