SO2 课程 06——地址空间

地址空间

x86 MMU

 

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选择器

 

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段描述符

 

../_images/ditaa-5cd4a8fa1ad97cff4bb1f64da13ce9ebfcfc4562.png

Linux 中的分段

/*
 * Linux 中每个 CPU 的 GDT 布局:
 *
 *   0——空(null)                                            <=== 缓存行 #1
 *   1——保留
 *   2——保留
 *   3——保留
 *
 *   4——未使用                                                <=== 缓存行 #2
 *   5——未使用
 *
 *  ------- TLS(线程本地存储)段的开始:
 *
 *   6——TLS 段 #1                   [ glibc 的 TLS 段 ]
 *   7——TLS 段 #2                   [ Wine 的 %fs Win32 段 ]
 *   8——TLS 段 #3                                             <=== 缓存行 #3
 *   9——保留
 *  10——保留
 *  11——保留
 *
 *  ------- 内核段的开始:
 *
 *  12——内核代码段                                             <=== 缓存行 #4
 *  13——内核数据段
 *  14——默认用户 CS
 *  15——默认用户 DS
 *  16——TSS                                                   <=== 缓存行 #5
 *  17——LDT
 *  18——PNPBIOS 支持(16->32 门)
 *  19——PNPBIOS 支持
 *  20——PNPBIOS 支持                                          <=== 缓存行 #6
 *  21——PNPBIOS 支持
 *  22——PNPBIOS 支持
 *  23——APM BIOS 支持
 *  24——APM BIOS 支持                                         <=== 缓存行 #7
 *  25——APM BIOS 支持
 *
 *  26——ESPFIX 小型 SS
 *  27——每个 CPU                 [ 指向每个 CPU 数据区的偏移量 ]
 *  28——stack_canary-20          [ 用于栈保护 ]                <=== 缓存行 #8
 *  29——未使用
 *  30——未使用
 *  31——用于双重故障处理的 TSS
 */

 DEFINE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(struct gdt_page, gdt_page) = { .gdt = {
 #ifdef CONFIG_X86_64
         /*
          * 在长模式下,我们也需要有效的内核数据和代码段
          * IRET 将检查段类型  kkeil 2000/10/28
          * 同样,sysret 需要特殊的 GDT 布局
          *
          * 目前,TLS 描述符与 i386 上的位置不同。
          * 希望没有人期望它们位置固定(Wine?)
          */
         [GDT_ENTRY_KERNEL32_CS]         = GDT_ENTRY_INIT(0xc09b, 0, 0xfffff),
         [GDT_ENTRY_KERNEL_CS]           = GDT_ENTRY_INIT(0xa09b, 0, 0xfffff),
         [GDT_ENTRY_KERNEL_DS]           = GDT_ENTRY_INIT(0xc093, 0, 0xfffff),
         [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER32_CS]   = GDT_ENTRY_INIT(0xc0fb, 0, 0xfffff),
         [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS]     = GDT_ENTRY_INIT(0xc0f3, 0, 0xfffff),
         [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS]     = GDT_ENTRY_INIT(0xa0fb, 0, 0xfffff),
 #else
         [GDT_ENTRY_KERNEL_CS]           = GDT_ENTRY_INIT(0xc09a, 0, 0xfffff),
         [GDT_ENTRY_KERNEL_DS]           = GDT_ENTRY_INIT(0xc092, 0, 0xfffff),
         [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS]     = GDT_ENTRY_INIT(0xc0fa, 0, 0xfffff),
         [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS]     = GDT_ENTRY_INIT(0xc0f2, 0, 0xfffff),
         /*
          * 用于调用 PnPBIOS 的段具有字节粒度。
          * 代码段和数据段具有固定的 64K 限制,
          * 传输段的大小在运行时设置。
          */
         /* 32 位代码 */
         [GDT_ENTRY_PNPBIOS_CS32]        = GDT_ENTRY_INIT(0x409a, 0, 0xffff),
         /* 16 位代码 */
         [GDT_ENTRY_PNPBIOS_CS16]        = GDT_ENTRY_INIT(0x009a, 0, 0xffff),
         /* 16 位数据 */
         [GDT_ENTRY_PNPBIOS_DS]          = GDT_ENTRY_INIT(0x0092, 0, 0xffff),
         /* 16 位数据 */
         [GDT_ENTRY_PNPBIOS_TS1]         = GDT_ENTRY_INIT(0x0092, 0, 0),
         /* 16 位数据 */
         [GDT_ENTRY_PNPBIOS_TS2]         = GDT_ENTRY_INIT(0x0092, 0, 0),
         /*
          * APM 段具有字节粒度,并且它们的基址在运行时设置。
          * 所有段的限制都是 64K。
          */
         /* 32 位代码 */
         [GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE]        = GDT_ENTRY_INIT(0x409a, 0, 0xffff),
         /* 16 位代码 */
         [GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE+1]      = GDT_ENTRY_INIT(0x009a, 0, 0xffff),
         /* 数据 */
         [GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE+2]      = GDT_ENTRY_INIT(0x4092, 0, 0xffff),

         [GDT_ENTRY_ESPFIX_SS]           = GDT_ENTRY_INIT(0xc092, 0, 0xfffff),
         [GDT_ENTRY_PERCPU]              = GDT_ENTRY_INIT(0xc092, 0, 0xfffff),
         GDT_STACK_CANARY_INIT
 #endif
 } };
 EXPORT_PER_CPU_SYMBOL_GPL(gdt_page);

检查选择器和段

 

常规分页

 

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扩展分页

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页表

页表项字段

Linux 分页

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用于页表处理的 Linux API

struct * page;
pgd_t pgd;
pmd_t pmd;
pud_t pud;
pte_t pte;
void *laddr, *paddr;

pgd = pgd_offset(mm, vaddr);
pud = pud_offet(pgd, vaddr);
pmd = pmd_offset(pud, vaddr);
pte = pte_offset(pmd, vaddr);
page = pte_page(pte);
laddr = page_address(page);
paddr = virt_to_phys(laddr);

如果平台支持的分页少于 4 级怎么办?

static inline pud_t * pud_offset(pgd_t * pgd,unsigned long address)
{
    return (pud_t *)pgd;
}

static inline pmd_t * pmd_offset(pud_t * pud,unsigned long address)
{
    return (pmd_t *)pud;
}

转译后备缓冲区(TLB)

TLB

单地址失效:

mov $addr, %eax
invlpg %(eax)

全失效:

mov %cr3, %eax
mov %eax, %cr3

32 位系统的地址空间选项

 

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优缺点

32 位系统 Linux 地址空间

 

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I/O 传输的虚拟地址到物理地址转换

线性映射

高内存

 

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多页面永久映射

void* vmalloc(unsigned long size);
void vfree(void * addr);

void *ioremap(unsigned long offset, unsigned size);
void iounmap(void * addr);

固定映射的线性地址

set_fixmap(idx, phys_addr)
set_fixmap_nocache(idx, phys_addr)

固定映射的线性地址

/*
 * 这里定义了所有在编译时“特殊”的虚拟地址。
 * 目的是在编译时有一个常量地址,但物理地址只在引导过程中设置。
 * 对于 x86_32:我们从虚拟内存的末尾(0xfffff000)开始分配这些特殊地址。
 * 这样还可以保证安全的 vmalloc(),可以确保这些特殊地址和 vmalloc() 的地址不重叠。
 *
 * 这些“编译时分配”的内存缓冲区是固定大小的 4k 页(如果使用的增量大于 1,则可以更大)。
 * 使用 set_fixmap(idx,phys) 将物理内存与 fixmap 索引关联起来。
 *
 * 这些缓冲区的 TLB 条目在任务切换时不会被刷新。
 */

enum fixed_addresses {
#ifdef CONFIG_X86_32
    FIX_HOLE,
#else
#ifdef CONFIG_X86_VSYSCALL_EMULATION
    VSYSCALL_PAGE = (FIXADDR_TOP - VSYSCALL_ADDR) >> PAGE_SHIFT,
#endif
#endif
    FIX_DBGP_BASE,
    FIX_EARLYCON_MEM_BASE,
#ifdef CONFIG_PROVIDE_OHCI1394_DMA_INIT
    FIX_OHCI1394_BASE,
#endif
#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
    FIX_APIC_BASE,        /* 本地(CPU)APIC - 对 SMP 有要求或无要求 */
#endif
#ifdef CONFIG_X86_IO_APIC
    FIX_IO_APIC_BASE_0,
    FIX_IO_APIC_BASE_END = FIX_IO_APIC_BASE_0 + MAX_IO_APICS - 1,
#endif
#ifdef CONFIG_X86_32
    FIX_KMAP_BEGIN,       /* 用于临时内核映射的保留 pte */
    FIX_KMAP_END = FIX_KMAP_BEGIN+(KM_TYPE_NR*NR_CPUS)-1,
#ifdef CONFIG_PCI_MMCONFIG
    FIX_PCIE_MCFG,
#endif

虚拟地址和固定地址索引之间的转换

#define __fix_to_virt(x)  (FIXADDR_TOP - ((x) << PAGE_SHIFT))
#define __virt_to_fix(x)  ((FIXADDR_TOP - ((x)&PAGE_MASK)) >> PAGE_SHIFT)

#ifndef __ASSEMBLY__
/*
 * ‘索引到地址’转换。如果有人直接使用索引而没有进行转换,我们会通过一个空指针解引用内核崩溃来捕捉该错误。我们还会捕捉到非法的索引范围。
 */
static __always_inline unsigned long fix_to_virt(const unsigned int idx)
{
    BUILD_BUG_ON(idx >= __end_of_fixed_addresses);
    return __fix_to_virt(idx);
}

static inline unsigned long virt_to_fix(const unsigned long vaddr)
{
    BUG_ON(vaddr >= FIXADDR_TOP || vaddr < FIXADDR_START);
    return __virt_to_fix(vaddr);
}


inline long fix_to_virt(const unsigned int idx)
{
    if (idx >= __end_of_fixed_addresses)
        __this_fixmap_does_not_exist();
    return (0xffffe000UL - (idx << PAGE_SHIFT));
}

临时映射

临时映射实现

#define kmap_atomic(page) kmap_atomic_prot(page, kmap_prot)

void *kmap_atomic_high_prot(struct page *page, pgprot_t prot)
{
   unsigned long vaddr;
   int idx, type;

   type = kmap_atomic_idx_push();
   idx = type + KM_TYPE_NR*smp_processor_id();
   vaddr = __fix_to_virt(FIX_KMAP_BEGIN + idx);
   BUG_ON(!pte_none(*(kmap_pte-idx)));
   set_pte(kmap_pte-idx, mk_pte(page, prot));
   arch_flush_lazy_mmu_mode();

   return (void *)vaddr;
      }
      EXPORT_SYMBOL(kmap_atomic_high_prot);

      static inline int kmap_atomic_idx_push(void)
      {
   int idx = __this_cpu_inc_return(__kmap_atomic_idx) - 1;

      #ifdef CONFIG_DEBUG_HIGHMEM
   WARN_ON_ONCE(in_irq() && !irqs_disabled());
   BUG_ON(idx >= KM_TYPE_NR);
      #endif
   return idx;
}

临时映射的实现

永久映射