Linux0.12内存管理学习笔记

Linux0.12 内存管理学习笔记

总概

Linux0.12内核管理程序采用分页管理。分页管理使用页目录以及页表寻址内存，以页为基本单位，每页为连续4KB物理内存。Linux0.12内存管理程序共有4个文件:Makefile、memory.c、swap.c、page.s。其中page.s包含内存也异常的中断管处理过程（int14）。Memory.c是内存页面管理的主文件，其中包含了内存的初始化操作、页目录和也表的管理程序以及内核其他部分申请内存的处理程序。Swap.c是内存页面交换管理文件，其中包括交换映射位图管理甘薯和交换设备访问函数。 关键点：

1、分页机制处理的是经过段机制转换得到的线性地址。

2、Linux0.12内核只使用了了一个页目录表，所以最大能管理4GB的线性地址。

3、Linux0.12内存默认最多支持16MB内存。 4、内存分配：

Linux内核：0~640KB； 显存和BIOS：640KB~1M；

高速缓冲区：Linux内核end~4M； 虚拟盘：4M~4.5M； 主内存区：4.5M~16M。

其中高速缓冲区、虚拟盘的大小在内核初始化程序main.c中根据实际物理内存大小进行分配。

5、页目录表存放在物理地址0处，后面紧跟4个页表，在head.s中这4个页表一一映射了16M的物理内存，供内核使用，也就是说，在内核中，线性地址就是物理地址，应为他们通过页机制进行一一对应。

6、进程的逻辑地址空间：Linux0.12内核为每个任务分配了64M的虚拟内存，在线性地址空间中，Linux0.12的各任务的逻辑地址0为nr*64M。所以每个任务逻辑空间地址转为线性空间地址只要加上nr*64M即可。在任务的逻辑地址空间中，地址布局为：代码+数据+bss（未初始化的数据）+堆栈（由高到低）+参数（最长128kb）。所以每个任务的逻辑地址空间是0x0000000~0x4000000

7、页面出错异常处理：

在CR0的PG位置位的情况下（开启了页机制），CPU将线性地址转化为物理地址时若检测到以下情况，就为引起页出错异常中断INT14。

A. 地址变换过程中用到的页目录向或页表项的存在位P=0；

B. 当前执行程序没有足够的特权访问指定的页面（包括读写权限）； 8、栈中的一个出错码：出错码格式是一个32位长的字，有效位为最低3位：

位0：P位，0表示异常是由于页面不存在，1表示违反页级保护权限；

位1：W/R位，表示异常是由读写操作引起的。0表示由读操作引起，1表示由写操作引起；

位2：U/S位，0表示正执行超级用户代码。1表示正执行一般用户代码。

9、CR2寄存器中存放了引起异常的线性地址，页出错异常处理程序可以通过这个此案性地址定位相关的页目录项和页表项。

10、写时复制机制：

11、需求加载机制

一、程序详解

Memory.c

实现对主内存区的动态分配和回收。对于1M（内核代码段和数据段）的内存，内核使用了一个字节数组mem_map[]来表示物理内存页面的状态。每个字节描述一个物理内存页面的占用状态。其中的值表示被占用的次数，0表述对应的物理内存页面空闲。当成功申请一页物理内存时，就将对应字节的值加1。16M的物理内存共有（16M-1M）/4KB=3840个物理页面被mem_map[]管理，而高速缓冲区和虚拟磁盘占用的内存页面对应的字节图将在内存初始化的过程中被设置成100表示已占用，不可在分配。而主内存区对应的2944个内存页面对应的字节to设置为0，可供程序申请使用。

程序函数列表：

1.copy_page(from,to) //从from处复制一页内存到to；该函数为宏定义，并使用了内嵌汇编实现。

输入参数：物理地址from，物理地址to

2.void free_page(unsigned long addr) //释放制定物理地址处的一页物理内存

输入参数：物理地址addr

A.该函数首先检测输出的地址是不是小于LOW_MEM（内核区或高速缓冲区），或者是不是大于机器的实际物理内存HIGHMEM。如果是，则显示错误信息并死机。

B.然后计算该地址对应的内存映射字节图中的编号： addr-= LOW_MEM;

addr >>= 12;并将其减1，正常返回；若已是0，则表示释放一页空闲内存，显示错误信息后死机。

C.此函数未清空该页面所占的页表项内容。

3.int free_page_tables(unsigned long from,unsigned long size) //释放指定线性地址处开始的连续的指定数量的页表中的所有页面以及页表本身所占页面。

输入参数：线性地址from，释放内存量size（bit）

A.首先检测输入的线性地址是不是位于4M边界处，该函数只能处理M边界处的地址，若不是则显示错误信息，死机。若是接着检测该4M边界是不是0，

若是表示操作内核内存区，显示错误信息，死机。

B.将SIZE转化为制定数量的4M：将size+4M>>22（若size超出4M边界，则多是放一个页表。）

C.根据输入的线性地址计算该地址所在也表目录项的指针：(from>>20)&0xffc。注意：每个页目录项为4字节，计算万页目录项编号后还需要X4。与上Oxffc是为了保证计算得到的地址是与4字节边界对齐。

D.检测页目录项对应的也表是否存在，不存在则继续检测下一个页目录项（共有size个），存在则进入得到的页表，每个页表有1024个页表项，检测每个页表项对应的页面是否存在，若存在则调用free_page()释放一页内存，若不存在，则可能在交换设备中，此时页表项里面保存的内容是交换映射位图号<<1（具体原因参见交换函数），于是调用swap_free(页表内容>>1)//该函数输入交换映射位图号，释放相应的存在交换设备中的页面。然后将页表项清空，继续下一个页表项，执行完1024个页表项之后，将页表所占用的页面释放：free_page(由页目录项内容得到地址)，并清空相关页目录项。然后继续检测下一个页目录项，并重复上面的工作。

E.所有页面释放完毕则刷新CPU页变换高速缓冲区。

4. int copy_page_tables(unsigned long from,unsigned long to,long size) //从线性地址from处复制制定数量的页表数内存至线性地址to处，以4M为基本单位。

输入参数：源线性地址from、目的线性地址to 、需复制的内存尺寸size（bit）

A.首先检测输入的线性地址是否位于4M边界处，若不是则显示错误信息当机；

B.计算from以及to所在页目录项的指针，并将size转换成需复制的页表数；

C.依次检测from和to所在页表是否存在，to所在页表若存在则表示将复制内容到一个存在的内存块，显示错误信息当机；from所在页表若不存在，则继续检测下一个页目录项；

D.取得源页表地址，并为目的页表申请一页内存存放页表项，并设置器页目录项为用户可读写、存在、；

E.判断from是否为0，0也为4边界，若from为0则表示此次操作是为内核空间执行第一个fork()分配空间，只需为其分配160（640KB）个页面足已。否则分配1024个页面。

F.依次检测每个源页表项是否存在，若不存在则该页面可能存在于交换设备中，为目的页面申请一页内存，并使用read_swap_page()从交换设备读入一页内存到新申请的页面中；接着设置目的页表项内容为源页表项内容，再设置源页表项内容为新申请页面的地址，同时设置属性为脏、存在、用户可读写：这样的话就不需要使用写时复制，而是源和目的都有自己独立的页表项，直接使用就可以了，只不过读写目的页面的时候，还得从交换页面读取过来；另外由于源页面的物理地址改变了（新申请的）所一，若任务中之前有用到直接操作源页面的地方就要注意了，现在可能会误操作目的页面；

G.若页面存在，则将源页面权限设置为只读，并将源页表项内容复制给目的页表项；并将相应页面的字节映射图+1；利用写时复制机制。然后继续下一

个页表项；或下一个页目录项；

H.刷新CPU页变换高速缓冲区，返回0；

5. static unsigned long put_page(unsigned long page,unsigned long address) //将一页物理内存映射到指定的线性地址处，主要是更具线性地址设置相关页表项属性为指定的物理地址，并将页表属性设置为7 输入参数:物理页面地址page、指定的线性地址address

A.首先判断输入的物理地址page合法（在LOW_MEM—HIGHMEM之间）

B.然后判断page对应的内存映射字节图是否为1，若为0表示该页还未分配，若大于1则表示此页正被共享，都输出错误信息当机；

C.然后计算address所在页目录项指针，判断对应页表是否存在，若不存在则出错当机；若不存在则为其申请一页内存存放页表，并设置页目录项； E.将相应的页表项内容设置为page，属性为7； F.返回物理地址。

6. unsigned long put_dirty_page(unsigned long page, unsigned long address) //将一页物理内村映射到指定的线性地址处，主要是更具线性地址设置相关页表项属性为指定的物理地址，并将页表属性设置为PAGE_DIRTY+7 具体实现和put_page()一致；

7.void un_wp_page(unsigned long * table_entry) //取消某一页的写保护，若为共享页面则将原页面内容复制到新页面中； 输入参数：页表项指针 table_entry

A.根据页表项内容取得物理页面的地址，并判断其是否合法，并且相应的内存映射字节图=1，若不为1表是空闲或正被共享（不能去写保护）； B.直接将页表属性改为可写即可；

C.若不满足，则为该操作申请一页新的内存；

D.如果原先的内存属于高端内存，则将其对应的字节映射图-1，相当于释放一页内存；

E.将原先内存中的内容拷贝到新申请的页面中，并重新设置项表项内容； F.刷新CPU页变换高速缓冲区；

8. void do_wp_page(unsigned long error_code,unsigned long address) //执行写页面保护；

输入参数：页保护出错码error_code、出错线性地址address A.判断出错地址是否为任务0的映射区域，若是页出错当即； B.判断出错地址是否超出当前任务的映射范围，若是出错退出； C.然后执行如下步骤，对相应页面取消写保护

un_wp_page((unsigned long *)(((address>>10) & 0xffc) //页表项 在页表中的偏移地址 +

(0xfffff000 &*((unsigned long *) ((address>>20) &0xffc))))//页表地址);