Linux中虚拟地址与线性地址的区别及原理简介 (linux 虚拟地址 线性地址)

在操作系统中，地址管理是非常重要的一部分。Linux系统也不例外。在Linux系统中，每一个进程都是有自己的虚拟地址空间的。虚拟地址和线性地址是两个非常重要的概念。虚拟地址是进程所见到的地址，而线性地址是真实的物理地址。本文将详细介绍Linux中虚拟地址与线性地址的区别及原理。

一、 基本概念

1. 物理地址

物理地址是指CPU通过总线发送出去的地址，它描述的是真实的内存地址空间。它是由硬件提供的，是用于表示物理内存地址的。

2. 线性地址

线性地址是在操作系统中使用的地址，也可以称之为虚拟地址。它是由操作系统提供，对于进程来说是唯一且私有的地址空间，可以被分配、映射、保护等。在x86架构下，我们通常使用CR3寄存器来存储当前进程的页目录表的物理地址，通过线性地址和页表映射，最终得到物理地址。

3. 虚拟地址

虚拟地址是进程中使用的地址，它存在于应用程序的虚拟地址空间中。当应用程序访问该地址时，操作系统会将虚拟地址翻译成真实的物理地址。虚拟地址空间的大小并不取决于物理内存的大小，而是取决于操作系统的指定。每一个进程都有自己的虚拟地址空间。

二、 虚拟地址和线性地址的关系

虚拟地址到线性地址的转换是由操作系统负责的。它基本上是通过分页机制来实现的。在Linux系统中，每个进程都有一个64位的线性地址空间，可以使用高级语言编写的程序能够使用这个地址空间中的任何一个地址。因为这个地址空间是私有的，所以每个进程都能够使用它的全部地址，不同进程之间的地址不会冲突。

当进程需要访问虚拟地址时，操作系统会根据该虚拟地址所在的页表找到对应的物理地址，然后再读取实际的数据。可以说，虚拟地址是一个看不见的地址，而线性地址则是一个真实的地址。

三、 虚拟地址和线性地址的实现

在Linux系统中，虚拟地址和线性地址的实现主要依靠了x86架构的分页机制。在x86架构下，CPU通过地址总线发送的是线性地址，而真正的存储数据的物理地址被隐藏在该线性地址背后。

为了将虚拟地址转换为线性地址，Linux内核维护了一个叫做页表的数据结构。页表中记录了进程中的虚拟地址和线性地址的映射关系。当进程访问虚拟地址时，操作系统会根据该虚拟地址所在的页表找到对应的线性地址，然后再使用x86分页机制将该线性地址翻译成物理地址。

具体的转换流程如下：

1. CPU将虚拟地址发送给MMU（Memory Management Unit）。

2. MMU通过CR3寄存器中保存的页表地址找到对应的页表。

3. MMU使用虚拟地址中的页表索引查找对应的页目录项，从而找到虚拟地址映射的物理页框号。

4. 然后将物理页框号与虚拟地址中的偏移量相加，得到实际的物理地址。

5. CPU通过总线将真实的物理地址发送给存储器，读取数据。

四、

本文简要介绍了Linux中虚拟地址和线性地址的概念、关系和实现原理。由于虚拟地址的存在，使得在不同的进程中，同样的虚拟地址可以映射到不同的物理地址，保证了每个进程都具有私有的地址空间。而Linux内核使用x86分页机制将虚拟地址转化为实际的物理地址，实现了地址的隔离和保护，确保了操作系统的稳定性和安全性。

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Bootloader、嵌入式Linux内核、嵌入式文件系统组成。Bootloader完成硬件设备的初始化以及引导内核加载，内核通过文件系统来管理对整个系统中的所有的数据和文件。

BootLoader分为哪两个阶段？分别实现了哪些功能？

stage1和stage2两个阶段。

完成的工作：

硬件设备初始化。

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跳转到stage2的C入口点。

stage2完成樱盯陆的工作：

初始化本阶段要使用到的硬件设备。

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将内核映像和根文件系统映像从Flash设备上复制到RAM空间中。

设置内核启动参数。

调用启动内核。

简述嵌入式文件系统的种类和管理机制。

Ext2fs文件系统 2.基于Flash的文件系统 3.基于RAM的文件系统 4.网络文件系统。

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Linux来说，假如我们用不到以太网设备，我们可以将该设备的驱动程序以及相关库文件等都去掉以缩小体积。

Linux可以在不同架构的CPU平台上运行。

详细描述嵌入式Linux软件开发的编译开发环境和编译开发工具。

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基于S3C2410嵌入式Linux的开发的逻辑空间和物理空间如何对应？详细描述脊顷之。

在支持MMU的32位处理器平台上，Linux系统中的物理存储空则悔间和虚拟存储空间的地址范围分别都是从0x到0xFFFFFFFF，共4GB，但物理存储空间与虚拟存储空间布局完全不同。Linux运行在虚拟存储空间，并负责把系统中实际存在的远小于4GB的物理内存根据不同需求映射到整个4GB的虚拟存储空间中。

n 物理存储空间布局

Linux的物理存储空间布局与处理器相关，详细情况可以从处理器用户手册的存储空间分布表（memory map）相关章节中查到，我们这里只列出嵌入式处理器平台Linux物理内存空间的一般布局，如图18-4所示。

图18-4 Linux物理内存空间一般布局示意图

说明：

1）更大node号n不能大于MAX_NUMNODES-1。

2）MAX_NUMNODES表示系统支持的最多node数。在ARM系统中，Sharp芯片最多支持16个nodes，其他芯片最多支持4个nodes。

3）numnodes是当前系统中实际的内存node数。

4）在不支持CONFIG_DISCONTIGMEM选项的系统中，只有一个内存node。

5）更大bank号m不能大于NR_BANKS-1。

6）NR_BANKS表示系统中支持的更大内存bank数，一般等于处理器的RAM片选数。在ARM系统中，Sharp芯片最多支持16个banks，其他芯片最多支持8个banks。

7）mem_init()函数会将所有节点的页帧位码表所占空间、孔洞页描述符空间及空闲内存页都释放掉。

n虚拟存储空间布局

在支持MMU的系统中，当系统做完硬件初始化后就使能MMU功能，这样整个系统就运行在虚拟存储空间中，实现虚拟存储空间到物理存储空间映射功能的是处理器的MMU，而虚拟存储空间与5路存储空间的映射关系则是由Linux内核来管理的。32位系统中物理存储空间占4GB空间，虚拟存储空间同样占4GB空间，Linux把物理空间中实际存在的远远小于4GB的内存空间映射到整个4GB虚拟存储空间中除映射I/O空间之外的全部空间，所以虚拟内存空间远远大于物理内存空间，这就说同一块物理内存可能映射到多处虚拟内存地址空间上，这正是Linux内存管理职责所在。图18-5列出了Linux内核中虚拟内存空间的一般布局（其实I/O空间也在其中，通常占用高端内存空间，在此未标出）。

图18-5 Linux系统虚拟内存空间一般布局示意图

说明：

1）线性地址空间：是指Linux系统中从0x到0xFFFFFFFF整个4GB虚拟存储空间。

2）内核空间：内核空间表示运行在处理器更高级别的超级用户模式（supervisor mode）下的代码或数据，内核空间占用从0xC到0xFFFFFFFF的1GB线性地址空间，内核线性地址空间由所有进程共享，但只有运行在内核态的进程才能访问，用户进程可以通过系统调用切换到内核态访问内核空间，进程运行在内核态时所产生的地址都属于内核空间。

3）用户空间：用户空间占用从0x到0xBFFFFFFF共3GB的线性地址空间，每个进程都有一个独立的3GB用户空间，所以用户空间由每个进程独有，但是内核线程没有用户空间，因为它不产生用户空间地址。另外子进程共享（继承）父进程的用户空间只是使用与父进程相同的用户线性地址到物理内存地址的映射关系，而不是共享父进程用户空间。运行在用户态和内核态的进程都可以访问用户空间。

4）内核逻辑地址空间：是指从PAGE_OFFSET(3G)到high_memory(物理内存的大小，更大896)之间的线性地址空间，是系统物理内存映射区，它映射了全部或部分（如果系统包含高端内存）物理内存。内核逻辑地址空间与图18-4中的系统RAM内存物理地址空间是一一对应的（包括内存孔洞也是一一对应的），内核逻辑地址空间中的地址与RAM内存物理地址空间中对应的地址只差一个固定偏移量（3G），如果RAM内存物理地址空间从0x地址编址，那么这个偏移量就是PAGE_OFFSET。

5）低端内存：内核逻辑地址空间所映射物理内存就是低端内存(实际物理内存的大小，但是小于896)，低端内存在Linux线性地址空间中始终有永久的一一对应的内核逻辑地址，系统初始化过程中将低端内存永久映射到了内核逻辑地址空间，为低端内存建立了虚拟映射页表。低端内存内物理内存的物理地址与线性地址之间的转换可以通过__pa(x)和__va(x)两个宏来进行，#define __pa(x) ((unsignedlong)(x)-PAGE_OFFSET) __pa(x)将内核逻辑地址空间的地址x转换成对应的物理地址，相当于__virt_to_phys((unsigned long)(x))，__va(x)则相反，把低端物理内存空间的地址转换成对应的内核逻辑地址，相当于((void *)__phys_to_virt((unsigned long)(x)))。

6）高端内存：低端内存地址之上的物理内存是高端内存（物理内存896之上），高端内存在Linux线性地址空间中没有没有固定的一一对应的内核逻辑地址，系统初始化过程中不会为这些内存建立映射页表将其固定映射到Linux线性地址空间，而是需要使用高端内存的时候才为分配的高端物理内存建立映射页表，使其能够被内核使用，否则不能被使用。高端内存的物理地址于现行地址之间的转换不能使用上面的__pa(x)和__va(x)宏。

7）高端内存概念的由来：如上所述，Linux将4GB的线性地址空间划分成两部分，从0x到0xBFFFFFFF共3GB空间作为用户空间由用户进程独占，这部分线性地址空间并没有固定映射到物理内存空间上；从0xC到0xFFFFFFFF的第4GB线性地址空间作为内核空间，在嵌入式系统中，这部分线性地址空间除了映射物理内存空间之外还要映射处理器内部外设寄存器空间等I/O空间。0xC~high_memory之间的内核逻辑地址空间专用来固定映射系统中的物理内存，也就是说0xC~high_memory之间空间大小与系统的物理内存空间大小是相同的（当然在配置了CONFIG_DISCONTIGMEMD选项的非连续内存系统中，内核逻辑地址空间和物理内存空间一样可能存在内存孔洞），如果系统中的物理内存容量远小于1GB，那么内核现行地址空间中内核逻辑地址空间之上的high_memory~0xFFFFFFFF之间还有足够的空间来固定映射一些I/O空间。可是，如果系统中的物理内存容量（包括内存孔洞）大于1GB，那么就没有足够的内核线性地址空间来固定映射系统全部物理内存以及一些I/O空间了，为了解决这个问题，在x86处理器平台设置了一个经验值：896MB，就是说，如果系统中的物理内存（包括内存孔洞）大于896MB，那么将前896MB物理内存固定映射到内核逻辑地址空间0xC~0xC+896MB（=high_memory）上，而896MB之后的物理内存则不建立到内核线性地址空间的固定映射，这部分内存就叫高端物理内存。此时内核线性地址空间high_memory~0xFFFFFFFF之间的128MB空间就称为高端内存线性地址空间，用来映射高端物理内存和I/O空间。896MB是x86处理器平台的经验值，留了128MB线性地址空间来映射高端内存以及I/O地址空间，我们在嵌入式系统中可以根据具体情况修改这个阈值，比如，MIPS中将这个值设置为0xB（512MB），那么只有当系统中的物理内存空间容量大于0xB时，内核才需要配置CONFIG_HIGHMEM选项，使能内核对高端内存的分配和映射功能。什么情况需要划分出高端物理内存以及高端物理内存阈值的设置原则见上面的内存页区（zone）概念说明。

8）高端线性地址空间：从high_memory到0xFFFFFFFF之间的线性地址空间属于高端线性地址空间，其中VMALLOC_START~VMALLOC_END之间线性地址被vmalloc()函数用来分配物理上不连续但线性地址空间连续的高端物理内存，或者被vmap()函数用来映射高端或低端物理内存，或者由ioremap()函数来重新映射I/O物理空间。PKMAP_BASE开始的LAST_PKMAP（一般等于1024）页线性地址空间被kmap()函数用来永久映射高端物理内存。FIXADDR_START开始的KM_TYPE_NR*NR_CPUS页线性地址空间被kmap_atomic()函数用来临时映射高端物理内存，其他未用高端线性地址空间可以用来在系统初始化期间永久映射I/O地址空间。

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