标签：存储管理 分页 32 硬件 物理地址 地址 页表 linux
linux的分页存储管理
什么是分页存储管理机制
分页式存储管理的基本思想是把内存空间分成大小相等、位置固定的若干个小分区，每个小分区称为一个存储块，简称块，并依次编号，每个存储块的大小由不同的系统决定，一般为2的n次幂，如1KB，2KB，4KB等，一般不超过4KB。把用户的逻辑地址空间分成与存储块大小相等的若干页。当作业提出存储分配请求时，系统首先根据存储块大小把作业分成若干页。每一页可存储在内存的任意一个空白块内。此时，只要建立起程序的逻辑页和内存的存储块之间的对应关系，借助动态地址重定位技术，原本连续的用户作业在分散的不连续存储块中，就能够正常投入运行
相关概念
1.物理内存空间:主板上的内存条所提供的内存空间就为物理地址空间
2.物理地址:每个内存单元的实际地址
3.虚拟地址空间:我们自己看到的内存空间
4.分页机制:在虚拟内存中，页表是个映射表的概念, 即从进程能理解的线性地址映射到存储器上的物理地址。这个页表是需要常驻内存的, 以应对频繁的查询映射需要
5.页面高速缓存：缓存各种文件和内存映射，由内存页面组成，单页内可能包含不连续的块
linux中的分页
为什么要分页
1.层次化的页表用于支持对大地址空间快速, 高效的管理. 因此linux内核对页表进行了分级。
2.对于32位系统, 两级页表已经足够了. 但是64位需要更多数量的分页级别。为了同时支持适用于32位和64位的系统, Linux采用了通用的分页模型。在Linux-2.6.10版本中, Linux采用了三级分页模型。而从2.6.11开始采用了四级分页模型。
3.目前的内核的内存管理总是假定使用四级页表, 而不管底层处理器是否如此。
4.Linux不同于其他的操作系统, 它把计算机分成独立层/依赖层两个层次。对于页面的映射和管理也是如此。页表管理分为两个部分, 第一个部分依赖于体系结构, 第二个部分与体系结构无关。 所有数据结构几乎都定义在特定体系结构的文件中。这些数据结构的定义可以在头文件arch/对应体系/include/asm/page.h和arch/对应体系/include/asm/pgtable.h中找到。
四级分页机制
前面提到Linux内核仅使用了较少的分段机制，但是对分页机制的依赖性很强，其使用一种适合32位和64位结构的通用分页模型，该模型使用四级分页机制：
页全局目录（Page Global Directory）
页上级目录（Page Upper Directory）
页中间目录（Page Middle Directory）
页表（Page Table）
linux为什么热衷于分页
因为，线性地址到物理地址的自动转换使下面的设计目标变得可行：
(1).给每一个进程分配一块不同的物理地址空间，这确保了可以有效地防止寻址错误。
(2).区别页（即一组数据）和页框（即主存中的物理地址）之不同。这就允许存放在某个页框中的一个页，然后保存到磁盘上，以后重新装入这同一页时又被装在不同的页框中。这就是虚拟内存机制的基本要素。
(3).每一个进程有它自己的页全局目录和自己的页表集。当发生进程切换时，Linux把cr3控制寄存器的内容保存在前一个执行进程的描述符中，然后把下一个要执行进程的描述符的值装入cr3寄存器中。因此，当新进程重新开始在CPU上执行时，分页单元指向一组正确的页表。
(4).把线性地址映射到物理地址虽然有点复杂，但现在已经成了一种机械式的任务。
32位硬件在64位系统中的兼容性问题
从硬件的角度，32位地址被分成了三部份——也就是说，不管理软件怎么做，最终落实到硬件，也只认识这三位老大。
从软件的角度，由于多引入了两部份，，也就是说，共有五部份。——要让二层架构的硬件认识五部份也很容易，在地址划分的时候，将页上级目录和页中间目录的长度设置为0就可以了。
这样，操作系统见到的是五部份，硬件还是按它死板的三部份划分，也不会出错，也就是说大家共建了和谐计算机系统。
这样，虽说是多此一举，但是考虑到64位地址，使用四层转换架构的CPU，我们就不再把中间两个设为0了，这样，软件与硬件再次和谐。
例子：一个逻辑地址已经被转换成了线性地址，0x08147258，换成二制进，也就是：
0000100000 0101000111 001001011000
内核对这个地址进行划分
PGD = 0000100000
PUD = 0
PMD = 0
PT = 0101000111
offset = 001001011000
现在来理解Linux针对硬件的花招，因为硬件根本看不到所谓PUD,PMD，所以，本质上要求PGD索引，直接就对应了PT的地址。而不是再到PUD和PMD中去查数组（虽然它们两个在线性地址中，长度为0，2^0 =1，也就是说，它们都是有一个数组元素的数组），那么，内核如何合理安排地址呢？
从软件的角度上来讲，因为它的项只有一个，32位，刚好可以存放与PGD中长度一样的地址指针。那么所谓先到PUD，到到PMD中做映射转换，就变成了保持原值不变，一一转手就可以了。这样，就实现了“逻辑上指向一个PUD，再指向一个PDM，但在物理上是直接指向相应的PT的这个抽像，因为硬件根本不知道有PUD、PMD这个东西”。然后交给硬件，硬件对这个地址进行划分，看到的是：
页目录 = 0000100000
PT = 0101000111
offset = 001001011000
嗯，先根据0000100000(32)，在页目录数组中索引，找到其元素中的地址，取其高20位，找到页表的地址，页表的地址是由内核动态分配的，接着，再加一个offset，就是最终的物理地址了。
总结
在分页的基础上，虚拟内存和物理内存实现了分离，从而让内核深度参与和监督内存分配。应用进程的安全性和稳定性因此大为提高。
标签：存储管理,分页,32,硬件,物理地址,地址,页表,linux 来源： https://blog.csdn.net/wcwdnmdnmd/article/details/115642954
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