看图说话：学习Linux内核(1)-ver-1.0

页表
物理内存页 某字节
CR4寄存器
标志是否开启PAE
PDPT
页目录
页表项 页目录项
CR3寄存器
PDPT基地址的物理地址
PDPT项
内存管理(cont.11)
• 80x86内存访问优化
– TLB和Cache – TLB
• 缓存已经转换好的<线性地址↔物理地址>对 • 当CR3的值发生变化时，所有表项失效
内存管理(cont.5)
GDTR/LDTR
32bit
内存中：段描述符表 段地址 8 内存的某段
非编程寄存器装段描述符
段描述符 32bit 某字节
输入：段选择符（段寄存器）
13bit的index 1bit的TI 2bit的RPL
输入：逻辑地址
32bit
段地址
输出：线性地址
32bit
内存管理(cont.6)
第31bit
由分段机制ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ生出来的线性地址
第0bit
10bit页目录索引
10bit页表索引
12bit页内偏移 物理内存页
页表
某字节
页目录
页表项
CR3寄存器
页目录项
页目录基地址的物理地址
内存管理(cont.8)
• 80x86中的分段/分页
– 分页实现 – 硬件支持的扩展分页(4M或2M) – 注意兼容性的考虑
概述(cont.3)
• Linux发展的三条线索
– Linux内核出现
• GNU已经完成了对几乎全部UNIX的软件的重写，除了内核 • GNU的内核项目Hurd，进展缓慢 • 1991年，Linus Torvalds在一个教学的UNIX-like的操作系统Minix基础上 开发了Linux内核，并以GPL发布 • Linux内核实现了Posix标准，能很好的和GNU软件配合，成为了GNU系 统的内核 • Linux内核飞速发展，很多公司利用GNU软件+Linux内核发布自己的操作 系统，例如RedHat、Debian、FedoraCore和Gentoo等，这些系统被称 为GNU/Linux系统，一般就直接叫做Linux
内存管理(cont.10)
• 80x86的分段/分页
– 当物理内存大于4G时，如何利用之
• 80x86的寻址能力是64G(36bit地址宽度）
– PAE和PSE，PSE不被Linux支持
• 原理很简单，32 → 36
– 实现很难： » 区分虚拟地址空间 » 兼容扩展分页机制 » 注意这是硬件层面
• 因为已经解耦，页表项存的 基地址+页内偏移=36即 可
标记 标记 物理地址 物理地址
0/1 0/1
内存管理(cont.12)
• 80x86内存访问优化
– Cache
• 改善分页机制 • 缓存<内存中的内容↔线性地址>对 • 直接映射 → 全关联映射 → 组关联映射
直接映射
函数运算 线 性 地 址 标记 某块内存 （多字节） 某块内存 （多字节）
内存中的块和缓存中的块 是多对一，而且不可变。 例如：内存块映射到内存 块基地址mod缓存的总块 数
• 80x86分段/分页
– PAE的实现：增加一级（注意页表项/页目录项是8字节，其中 24bit用于和页内偏移来合成物理地址） – CR3每指定一个PDPT就可以寻址4G – 如何在程序中使用呢？
第31bit 由分段机制产生出来的线性地址 第0bit
2bit PDPT 9bit页目录索引 9bit页表索引 12bit页内偏移
• 80x86的分段/分页
– 分页概览
• 分页
– 打白条，拆东墙补西墙 – 也可能相反
• 把线性地址（虚拟地址）空间中的某块和物理地址（物理内存）中的 某块映射起来
– 利用索引找到基地址 – 加上偏移量
• 这种映射是以固定大小（页）为单位
– 80x86是4096，但是支持扩展分页到4M
• 其过程是：
• 进程内存空间布局 • 内核态虚拟地址空间
– 异常、中断、陷入、软中断、软件中断、底半(BH) – 上下文、抢占、内核栈、中断栈
• 总结
前言
• 内核 → 操作系统
– 内核：管理硬件资源，提供进程运行环境
• • • • 设备管理 进程管理 内存管理 文件管理
– 操作系统：内核+系统软件+其他常用软件
• 核心进程 • 编辑器 • 交互界面等
前言(cont.1)
• 操作系统（内核）的讲法
– 内存管理 – 系统调用 – 中断处理 – 内核同步 – I/O管理 – 文件系统......
• 我们
– 以内存管理为线索，把部分几个串起来
提纲
• 前言 • 概述
– Linux发展简史 – Linux内核简介
商业版本繁荣 • POSIX→标准化
概述(cont.2)
• Linux发展的三条线索
– GNU的发展
• UNIX并不是免费的，其软件也不是开源的 • Richard Stallman在1983年发起开源软件项目，为了构建一个免费的操作 系统：包括编辑器、编译器、文本处理和内核等 • 很多UNIX上的软件都被重写，并以GPL发布 • Emacs和GCC是旗舰项目
• Linux发展简史
– Linux是一个UNIX-like操作系统内核 – UNIX是个商标，被Open Group拥有 – UNIX用来表达符合Unix标准的操作系统
• 被Open Group的“Single UNIX Specification”认证通过才可使用UNIX 商标，否则被称为UNIX-like系统
• 内存管理
– 实模式 – 保护模式 – 虚拟地址到物理地址的总体映射关系（分区）
• 进程内存空间布局 • 内核态虚拟地址空间
– 异常、中断、陷入、软中断、软件中断、底半(BH) – 上下文、抢占、内核栈、中断栈
• 总结
概述
• 约定
– 用Linux表示使用Linux内核的操作系统，即发行版本，如Debian – 用Linux内核来表达一个内核
标记
某块内存 （多字节）
内存管理(cont.14)
• 80x86内存访问优化
– Cache
组关联映射
标记 某块内存 （多字节）
线 性 地 址
内 存 块 号 组 号 块 内 偏 移
内 存 块 号 块 内 偏 移
标记
标记
某块内存 （多字节）
内存管理(cont.13)
• 80x86内存访问优化
– Cache
全关联映射
比较运算 线 性 地 址 标记 某块内存 （多字节） 某块内存 （多字节）
内 存 块 号 块 内 偏 移
标记
全关联中，缓存中的块 和物理内存中的块没有 函数关系，必须挨个比 较“标记”来检查缓存中是 有该块。 硬件可以用一次比较来 实现，但是复杂度高。
• 概述
– 一个计算机系统（硬件）包括：
• 中央处理器 • 存储器 • 外设
– 存储器
• 是一切操作的场地（Arena） • 操作系统的操作都必须在一个内存空间中完成
– – – – 运行进程 中断处理 系统服务 I/O处理
– 解析内存管理的思路：
• 硬件支持和接口 → Linux对内核态虚拟地址的映射 → 用户态虚拟地 址的映射
提纲
• 前言 • 概述
– Linux发展简史 – Linux内核简介
• 内存管理
– 实模式 – 保护模式 – 虚拟地址到物理地址的总体映射关系（分区）
• 进程内存空间布局 • 内核态虚拟地址空间
– 异常、中断、陷入、软中断、软件中断、底半(BH) – 上下文、抢占、内核栈、中断栈
• 总结
内存管理
线性地址 逻辑地址 分段单元 分页单元 物理地址
段选择符（给出段地址）
内存管理(cont.3)
• 80x86的分段/分页
– 分段概览
内存中：段描述符表
段地址
内存的某段
段描述符
输入：段选择符（段寄存器）
某字节
16bit
输入：逻辑地址
32bit
段地址
输出：线性地址
32bit
内存管理(cont.4)
• 80x86的分段/分页
看图说话：学习Linux内核(1)-ver1.0
——以内存管理为线索
腾讯研究院/北京分院/无线组 周晓波(xiaobozhou) 2010-03-29
提纲
• 前言 • 概述
– Linux发展简史 – Linux内核简介
• 内存管理
– 实模式 – 保护模式 – 虚拟地址到物理地址的总体映射关系（分区）
– Linux发展的三条线索
• UNIX的发展 • GNU的发展 • Linux内核的出现
概述(cont.1)
• Linux发展的三条线索
– UNIX的发展
• 世界上没有一个操作系统叫UNIX——白马非马 • 1969年，Ken Thompson和Dennis Ritchie在AT&T贝尔实验室实现了 Unix→Multics涅磐 • 1973年，用C语言重写Unix→飞速发展 • AT&T以分发许可证的方式，把Unix分发给大学和研究机构，及至 Unix第六版，AT&T意识到商业价值，成立USL，并宣布对Unix所有 权→开放到封闭 • 同时伯克利成立CSRG，开发并发布BSD Unix→Tcp/IP • AT&T引入BSD的一些优点，发布Unix System V→它和BSD成为现 代UNIX的两个分支 • 很多公司基于这两个分支发布自己的系统Solaris，HP-UX，AIX等→
内存管理(cont.10)
• 80x86分段/分页