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62 1. Linux系统段页式地址变换 Linux系统的分段 Linux系统处在用户态时，使用用户代码段和用户数据 段来对指令和数据寻址 在核态时，使用内核代码段和内核数据段来对指令和 数据寻址 每个分段是一个连续的线性地址空间，从0开始直到 232?1的寻址长度。 主存管理——Linux系统存储管理 63 80x86分页结构 80x86微处理器的分页单元处理4KB的页。一个32位的 线性地址分为3个域。 主存管理——Linux系统存储管理 页目录 页表 页内位移 31 22 21 12 11 0 页目录字段指向页目录项； 页表字段指向进程的一个页表项； 页内位移则是页内偏移量 64 主存管理——Linux系统存储管理 三级页表 第一级：全局目录 (PGD) PGD中的表项指向页目录中的一个表项 二级页表：页目录 (PMD) PMD中的表项指向页表PTE中的一个表项 三级：页表 该表项指向物理页 (页框) 的主存地址 65 主存管理——Linux系统存储管理 线性地址转换为物理地址 地址转换过程 Linux系统通过三级页表完成线性地址到物理地址的转换 页目录 页表 页内位移 31 22 21 12 11 0 cr3 +： +： 页目录表 页表 物理页 + + + 66 主存管理——Linux系统存储管理 地址变换步骤 由cr3指示的当前页目录的物理地址与分页结构中的 页目录字段的内容相加指向页目录表项； 由页目录表项内容得到当前使用的页表的始地址， 通过分页结构中的页表字段的内容找到该页表项； 由页表项指示的该页的物理页(页框)的主存地址与 分页结构中的页内位移相加，得到最终的物理地址。 67 2. Linux系统动态内核管理 物理页的描述 Linux系统主存分配的基本单位是物理页(又称为页框) 主存管理单元MMU以页为单位进行分配和处理 32位体系结构支持4KB的页，64位体系结构支持8KB的页 内核用struct page结构描述页框 struct page { flags; /* 页的状态 */ _count; /* 该页被引用的次数 */ ? *virtual; /* 页的虚拟地址，通常情况下记录页在虚拟主存中的地址 */ }; 主存管理——Linux系统存储管理 68 物理主存分区 内核将系统中的所有页框划分为不同的区，具有相似特 征的页框归为同一个分区。 Linux系统共分为三种分区 ZONE_DMA 这个分区包含的页只能用来执行DMA操作，大小为16MB； ZONE_NORMAL 这个分区包含的页都是能正常映射的页，大小为16MB ? 896MB ZONE_HIGHMEM 这个分区包含的是“高端主存”，其中的物理页并不能永久地映射到内核地址空间，大小为896MB。 主存管理——Linux系统存储管理 69 分区页框的分配 Linux内核通过页框和区对主存进行管理，实现了请求 主存的底层机制； 内核提供提供一组访问接口 (函数或宏) 可以直接的方 式获得动态主存，注意这种方式只能由内核使用。 主存管理——Linux系统存储管理 70 主存管理——Linux系统存储管理 分区页框分配器 分区页框分配器( Zoned page frame allocator)是一个内核 子系统，它负责对连续页框的主存分配。 分区页框分配器的组成如下图 管理区分配器 每CPU页框 高速缓存 每CPU页框 高速缓存 每CPU页框 高速缓存 伙伴系统 伙伴系统 伙伴系统 71 主存管理——Linux系统存储管理 伙伴系统算法 主存管理中的外碎片问题 当频繁地请求和释放不同大小的连续页框，就会导致在已分配 页框内产