笔记:linux内核内存布局以及/dev/mem

2024-05-03 22:08

本文主要是介绍笔记:linux内核内存布局以及/dev/mem,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

参考一下两篇文章:

linux内核内存管理(zone_dma zone_normal zone_highmem)(linux memory layout)

/dev/mem可没那么简单

学习笔记(以x86为例)

linux的虚拟地址空间:

32位的CPU,最大寻址范围为2^32 - 1也就是4G的线性地址空间。Linux简化了分段机制,使得虚拟地址与线性地址总是一致的。linux一般把这个4G的地址空间划分为两个部分:其中0~3G为用户程序地址空间,虚地址0x00000000到0xBFFFFFFF,供各个进程使用;3G~4G为内核的地址空间,虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF, 供内核使用。(注意,ARM架构不是3G/1G划分的,而是2G/2G划分。这里以3G/1G划分作讲解)。

  1. 物理内存(以4G内存为例)依次由DMA_ZONE(0~16M),NORMAL_ZONE(16~896M)和HIGH_ZONE(896~4G)组成。
  2. 内核虚拟地址空间又可以分为lowmemory和highmemory两个部分或者对应物理内存的DMA_ZONE,NORMAL_ZONE(DMA_ZONE和NORMAL_ZONE线性映射到内核虚拟地址空间(即物理地址加一个offset))和HIGH_ZONE(需要通过kmap动态映射)三个部分:
  • 其中lowmemory(共896M, 位置vm_kernel_base ~ vm_kernel_base + 896M)对应物理内存DMA_ZONE,NORMAL_ZONE。NORMAL_ZONE主要存放内核会频繁使用的数据如kernel代码、GDT、IDT、PGD、mem_map数组等。
  • highmemory(共128M,位置vm_kernel_base + 896M ~1G)对应物理内存HIGH_ZONE部分,主要存放用户数据、页表(PT)等不常用数据,只有要访问这些数据时才建立映射关系(通过kmap()),这样即使内核的虚拟地址空间最大只有1G也可以通过higmemory的128M空间采用动态建立映射的方式访问HIGH_ZONE的全部内容,结合lowmemory访问DMA_ZONE,NROMAL_ZONE,可以实现对整个4G内存的访问。highmemory的使用场景:譬如可以通过ioremap使用位于HIGH_ZONE部分的IO内存,又或者在内核虚拟空间(3~4G)访问用户虚拟空间(0~3G)的数据(通过将用户空间内存数据映射到内核空间实现)。

 

/dev/mem内存映射:

如果不做CONFIG_STRICT_DEVMEM限定,那么可以映射所有的地址空间;

如果添加了CONFIG_STRICT_DEVMEM限定,在做映射前会执行一下检测:

  • 地址范围不能超过4G;
  • 该物理地址所在的iomem不能是exclusive(独占)的;
  • 该物理地址不能在内核的lowmem部分。

简单解析一下"/driver/char/mem.c"中mmap的实现:

static int mmap_mem(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{size_t size = vma->vm_end - vma->vm_start;if (!valid_mmap_phys_addr_range(vma->vm_pgoff, size))return -EINVAL;if (!private_mapping_ok(vma))return -ENOSYS;if (!range_is_allowed(vma->vm_pgoff, size))return -EPERM;if (!phys_mem_access_prot_allowed(file, vma->vm_pgoff, size,&vma->vm_page_prot))return -EINVAL;vma->vm_page_prot = phys_mem_access_prot(file, vma->vm_pgoff,size,vma->vm_page_prot);vma->vm_ops = &mmap_mem_ops;/* Remap-pfn-range will mark the range VM_IO */if (remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,vma->vm_pgoff,size,vma->vm_page_prot)) {return -EAGAIN;}return 0;
}
  • "valid_mmap_phys_addr_range"函数检查要mmap的物理地址范围是否超过4G空间,超过则无效;
  • "private_mapping_ok"函数对于支持MMU的平台来说总是返回"1";
  • "range_is_allowed"在没有配置CONFIG_STRICT_DEVMEM的情况下总是返回"1",配置了的话需要该物理地址所在的iomem不能使exclusive独占的,并且不能处在lowmem空间中;
  • "phys_mem_access_prot_allowed"总是返回"1"表示可以设置该段需要被映射内存的protection标志;

 

以上4段在/dev/mem可没那么简单 都有分析,查看源码很容易理解,下面单独介绍一下"phys_mem_access_prot"。该函数是用来给vma的protection属性添加noncached属性(或者叫做noncached & nonbuffered,即对内存的访问是不经过硬件cache和buffer的,处理器一般具有4种cache属性:non-cached&non-buffered/non-cached&buffered/cached&write-through/cached&write-back(参考关于cache和write buffer和ARM的cache和写缓冲器(write buffer)))。

#ifdef pgprot_noncached
static int uncached_access(struct file *file, phys_addr_t addr)
{
#if defined(CONFIG_IA64)/** On ia64, we ignore O_DSYNC because we cannot tolerate memory* attribute aliases.*/return !(efi_mem_attributes(addr) & EFI_MEMORY_WB);
#elif defined(CONFIG_MIPS){extern int __uncached_access(struct file *file,unsigned long addr);return __uncached_access(file, addr);}
#else/** Accessing memory above the top the kernel knows about or through a* file pointer* that was marked O_DSYNC will be done non-cached.*/if (file->f_flags & O_DSYNC)return 1;return addr >= __pa(high_memory);
#endif
}
#endifstatic pgprot_t phys_mem_access_prot(struct file *file, unsigned long pfn,unsigned long size, pgprot_t vma_prot)
{
#ifdef pgprot_noncachedphys_addr_t offset = pfn << PAGE_SHIFT;if (uncached_access(file, offset))return pgprot_noncached(vma_prot);
#endifreturn vma_prot;
}

"#ifdef pgprot_noncached"如果不支持noncahed的page访问属性那么直接采用用户空间mmap设定的属性,否则执行"uncached_access(file, offset)"检查是否应为该段内存设置noncached访问属性。"uncached_access(file, offset)"针对三种平台IA64/MIPS/OTHERS提供了三种不同的检测方式(实际是两种:MIPS和OTHERS平台的实现方式是一样的,体现在"__uncached_access(file, offset)"函数中),对于非IA64平台如果设置了文件的O_DSYNC位那么对于文件内存的访问就应该是noncached的,或者要映射的物理内存位于highmem地址空间,那么对其的访问也应该是noncached的。

最后如果支持noncached属性,那么就通过"pgprot_noncached(vma_prot)"向vma的protection属性中添加noncached属性。

最终调用"remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, vma->vm_pgoff, size, vm->vm_page_prot)"实现物理地址到虚拟地址的映射。

这篇关于笔记:linux内核内存布局以及/dev/mem的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/957753

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