Linux虚拟内存管理基础v2.ppt
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1、Linux虚拟内存管理 基础篇,2,主要内容,虚拟内存管理的基本原理和基本过程。 CPU对虚拟内存管理的支持。(ULK Ch.2) Linux如何管理页表。(ULK Ch.2) Linux如何管理物理内存(ULK Ch.8) Linux如何管理虚拟空间的内核地址空间部分(ULK Ch.8) Linux如何管理虚拟空间的进程地址空间部分(ULK Ch.9) Linux如何在物理内存和外出之间同步数据(ULK Ch.15) Linux如何主动回收物理内存(ULK Ch.17) 注:无法全部讲 骚瑞,3,从宏观角度.,Linux的虚拟内存管理机制为应用程序和驱动 程序提供了两种服务: 使每个进程都拥
2、有自己独立的内存地址空间;对于32位Linux而言,每个任务可寻址的内存地址空间都为0x00000000 0xFFFFFFFF(232, 4GB) 当物理内存不够4GB时,虚拟内存管理模块会用外存空间模拟内存空间,并且该模拟过程对应用程序是透明的。,4,用户地址空间与内核地址空间,Linux将每个进程的4GB的独立地址空间又划分为用户地址空间(0x00000000 0xBFFFFFFF)和 内核地址空间(0xC0000000 0xFFFFFFFF)两部分。 操作系统内核代码和数据存放在内核地址空间;每个进程自己私有的代码和数据存放在用户地址空间 虽然Linux的内核代码和数据被映射到了每个进程
3、的地址空间中(所有进程看到的内容是相同的),但在实际的物理内存中,只有内核代码和数据的一份拷贝。,5,用户地址空间与内核地址空间,用户态与核心态,一般现代CPU都有几种不同的指令执行级别 在高执行级别下,代码可以执行特权指令,访问任意的物理地址,这种CPU执行级别就对应着内核态 用户态指相应的低级别执行状态,代码的掌控范围会受到限制,只能执行CPU指令集的一个子集 举例:intel x86 CPU有四种不同的执行级别0-3,Linux只使用了其中的0级和3级分别来表示内核态和用户态 0xc0000000以上的内核地址空间只能在内核态下访问,0x000000000xbfffffff的用户地址空间
4、在两种状态下都可以访问 应用程序可以通过Linux系统调用由用户态进入内核态,7,逻辑地址与物理地址,逻辑地址:程序在运行过程中用来访问存储器的地址。程序员在编程时,只需知道逻辑地址,不需考虑该地址与实际物理硬件上的存储单元如何对应。编译器在编译源程序时,也只需考虑逻辑地址。 物理地址:表示物理存储器中一个存储单元的实际位置,地址总线上产生的就是物理地址。(总线地址) 在实地址模式下,逻辑地址等于物理地址。在虚拟地址模式下,逻辑地址不等于物理地址,必须经过查表才能转换为物理地址,因此也叫虚拟地址。 线性地址:2维逻辑地址变为1维地址后,叫线性地址,物理地址,查表 转换,逻辑地址,进程 1 的页
5、表,进程 2 的页表,进程 3 的页表,内页表,外页表,CPU负责查表(虚拟地址-物理地址),查表失败时触发缺页异常(14号); OS负责填充各个表的内容,并提供缺页中断的中断服务器程序。,9,X86处理器对VM的支持,MMU单元:(1)自动查表,将当期指令中的逻辑地址转化为物理地址; (2)触发缺页异常。 32bitCPU支持2级页表:页目录表,页表。10+10+12 64bitCPU支持4级页表:9+9+9+9+12 专用寄存器CR3中存放了当前有效的页目录表的物理地址。 专用寄存器CR2用于存放触发缺页异常的线性地址。 转换旁视缓冲区TLB:将常用的逻辑/物理转换关系缓存到CPU。当页表
6、被修改,或有效页表切换时需调用专用指令刷新TLB。 flush_tlb_all, flush_tlb_mm, flush_tlb_range, flush_tlb_page,10,32bit Intel x86的页表,在32位CPU上,地址空间为232,一个内存页大小为212,则共有220个页,页编号范围0220-1,因此页表中的一行至少要用3个字节(存储页编号是必须的),但实际上页表中一行占4个字节。 80386CPU中一个页表项的定义如下:,Present标志、Accessed标志、Dirty标志、Read/Write标志、User/Supervisor标志、 如果present标志为0,
7、分页单元就把这个线性地址存放在处理器的CR2寄存器中,并产生一个14号缺页异常,11,页表项或页目录项中的标志,Present标志:所指内容是否存在 Accessded标志:所指内容被访问之后自动置1 Dirty标志:所指内容被修改后自动置1 Read/Write标志:所指内容的读写权限 User/Supervisor标志:所指内容的访问特权要求 PCD/PWT:是否运行被缓存至Cache PageSize:页大小:4K,4M,2M Global标志:防止页从TLB中刷新出去,12,两级页表,为了节省内存,32位CPU采用了两级页表 第一级为页目录,每个表项存储了第二级页表的物理地址。 第二级
8、页表的每个表项存储了一个虚拟页所对应物理页的物理地址。 32位的虚拟地址被分成3个域 目录(directory) 最高的10位 页表(Table) 中间的10位 页内偏移量(offset) 最低的12位 程序中每产生一个32位的虚拟地址,CPU的MMU首先用最高的10位查页目录获得第二级页表的物理地址,再用中间10位查第二级页表获得物理页的起始地址,最后用该起始地址加上偏移量offset( 最低的12位 )就得到了最终的物理地址。 两次查表过程有可能会触发2次缺页中断。,2019/7/4,Linux OS Analysis,13/54,Intel 80x86处理器的分页,线性地址,CR3,页目
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