1. 소개

Linux 운영 체제와 드라이버는 커널 공간에서 실행되고, 애플리케이션은 사용자 공간에서 실행됩니다. 둘은 단순히 포인터를 사용하여 데이터를 전송할 수 없습니다. Linux에서 사용하는 가상 메모리 메커니즘으로 인해 사용자 공간 데이터가 교체될 수 있습니다. 커널 공간이 사용자 공간 포인터를 사용하는 경우 해당 데이터가 메모리에 없을 수 있습니다. 사용자 공간의 메모리 매핑은 세그먼트 페이지 유형을 채택하지만 커널 공간에는 자체 규칙이 있습니다. 이 기사에서는 커널 공간의 주소 매핑을 탐색하는 것을 목표로 합니다.
os는 각 프로세스에 독립적이고 연속적인 가상 주소 메모리 공간을 할당하며, 크기는 일반적으로 4G(32비트 운영 체제, 즉 2의 32승)이며, 여기에는 주소 값이 높은 메모리 공간이 할당됩니다. os가 점유하면 linux os는 1G를 점유하고 window os는 2G를 점유합니다. 나머지 메모리 주소 공간은 프로세스에 할당됩니다.
보통 32비트 Linux 커널 가상 주소 공간은 사용자 공간인 0~3G와 커널 공간인 3~4G로 구분됩니다(커널이 사용할 수 있는 선형 주소는 1G에 불과합니다). 이는 32비트 커널 주소 공간 분할이고 64비트 커널 주소 공간 분할은 다릅니다.

프로세스 주소 지정 공간 0~4G
프로세스는 사용자 모드에서 0~3G에만 접근할 수 있고, 커널 모드에 들어갈 때는 3G~4G에만 접근할 수 있습니다.
프로세스는 다음을 통해 커널 모드에 들어갑니다. 시스템 호출
각 프로세스의 가상 공간 중 3G~4G 부분은 동일합니다.
사용자 모드에서 커널 상태로 진입하는 프로세스는 CR3에는 변경이 발생하지 않지만 스택에는 변경이 발생합니다

2. Linux 커널 고급 메모리

1. Origin

커널 모듈 코드 또는 스레드가 메모리에 액세스할 때 코드의 메모리 주소는 모두 논리 주소이며 실제 물리적 메모리 주소에 해당하는 일대일 매핑입니다. 예를 들어 논리 주소 0xc0000003에 해당하는 물리 주소는 0×3, 0xc0000004에 해당하는 물리 주소는 0×4,..., 논리 주소와 물리 주소의 관계는 물리적 주소 = 논리 주소 – 0xC0000000: 이는 커널 주소 공간의 주소 변환 관계입니다. 커널의 가상 주소는 "상위"에 있지만 이에 매핑된 물리적 메모리 주소는 하위에 있습니다. .

논리 주소물리적 메모리 주소0xc00000000xc00000010xc0000002 0xc0000003…

위의 단순 주소 매핑 관계에 따라 커널 논리 주소 공간 액세스는 0xc0000000 ~ 0xffffffff이고 해당 물리 메모리 범위는 0×0 ~ 0×40000000입니다. 즉, 1G 물리 메모리만 액세스할 수 있습니다. 8G의 물리적 메모리가 머신에 설치된 경우 커널은 첫 번째 1G의 물리적 메모리에만 액세스할 수 있으며 커널의 주소 공간이 모두 물리적 메모리 주소 범위 0×에 매핑되었기 때문에 후속 7G의 물리적 메모리에는 액세스할 수 없습니다. 0 ~ 0×40000000. 8G 물리 메모리가 설치되어 있어도 커널은 물리 주소 0×40000001의 메모리에 어떻게 접근하나요? 코드에는 메모리 논리 주소가 있어야 합니다. 0xc0000000 ~ 0xffffffff의 주소 공간이 모두 사용되었으므로 물리 주소 0×40000000 이후의 메모리에는 액세스할 수 없습니다.

분명히 커널 주소 공간 0xc0000000 ~ 0xfffffff는 간단한 주소 매핑에 사용할 수 없습니다. 따라서 x86 아키텍처는 커널 주소 공간을 ZONE_DMA, ZONE_NORMAL 및 ZONE_HIGHMEM의 세 부분으로 나눕니다. ZONE_HIGHMEM은 하이엔드 메모리 개념의 시초가 되는 하이엔드 메모리입니다.

x86 구조에서 세 가지 유형의 영역(3G에서 계산)은 다음과 같습니다.

ZONE_DMA 16MB 메모리 시작 부분

ZONE_NORMAL 16MB~896MB

Z ONE_HIGHMEM 896MB ~ 끝 (1G)

2. 이해

앞서 하이엔드 메모리의 유래에 대해 설명했습니다. Linux는 커널 주소 공간을 ZONE_DMA, ZONE_NORMAL 및 ZONE_HIGHMEM의 세 부분으로 나눕니다. 고급 메모리 HIGH_MEM 주소 공간의 범위는 0xF8000000에서 0xFFFFFFFF(896MB~1024MB)입니다. 그렇다면 커널은 어떻게 128MB 고급 메모리 주소 공간을 사용하여 모든 물리적 메모리에 액세스합니까? 커널이 896MB보다 큰 물리 주소를 가진 메모리에 접근하려고 할 때, 0xF8000000~0xFFFFFFFF 주소 공간 범위에서 해당 크기의 여유 논리 주소 공간을 찾아서 잠시 빌려옵니다. 이 논리 주소 공간을 빌려서 액세스하려는 물리적 메모리에 매핑합니다(즉, 커널 PTE 페이지 테이블을 채우고 잠시 동안 사용하고 사용 후 반환합니다. 이러한 방식으로 다른 사람들도 이 주소 공간을 빌려 다른 물리적 메모리에 액세스할 수 있으며, 제한된 주소 공간을 사용하여 모든 물리적 메모리에 액세스할 수 있습니다. 아래 그림과 같습니다.

예를 들어 커널은 2G부터 1MB의 물리적 메모리에 액세스하려고 합니다. 즉, 물리적 주소 범위는 0×80000000 ~ 0x800FFFFF입니다. 접근하기 전에 먼저 1MB의 여유 주소 공간을 찾는다. 발견된 여유 주소 공간은 0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF라고 가정한다. 이 1MB 논리 주소 공간을 사용하여 물리적 주소 공간 0x80000000 ~ 0x800FFFFF에 매핑한다. 매핑 관계는 다음과 같습니다.


0×0
0 ×1
0×2
0×3
	0xffffffff
0×40000000 ??

논리 주소 0×800000000×800000010×80000002

물리적 메모리 주소	0xF8700000
	0x F87000 01
	0xF8700002
	… 커널은 0×80000000 ~ 0x800FFFFF 물리적 메모리에 액세스한 후 0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF 커널 선형 공간을 해제합니다. 이런 방식으로 다른 프로세스나 코드도 0xF8700000~0xF87FFFFF 주소를 이용해 다른 물리 메모리에 접근할 수 있다. 위의 설명을 통해 하이엔드 메모리의 가장 기본적인 아이디어를 알 수 있습니다. 즉, 주소 공간의 섹션을 빌려 임시 주소 매핑을 설정하고, 이 주소 공간에 도달하면 해제합니다. 재활용이 가능하고 모든 물리적 메모리에 액세스할 수 있습니다. 이것을 보고 일부 사람들은 묻지 않을 수 없습니다. 커널 프로세스나 모듈이 특정 논리 주소 공간을 계속 점유하고 이를 해제하지 않으면 어떻게 되나요? 이러한 상황이 실제로 발생하면 커널의 고급 메모리 주소 공간이 점점 더 좁아지게 되며, 점유되어 해제되지 않으면 물리적 메모리에 매핑되지 않더라도 액세스할 수 없게 됩니다. 3. 분할 커널은 고급 메모리를 VMALLOC_START~VMALLOC_END, KMAP_BASE~FIXADDR_START 및 FIXADDR_START~4G의 세 부분으로 나눕니다. 고성능 메모리의 경우 alloc_page()나 다른 함수를 통해 해당 페이지를 얻을 수 있지만, 실제 물리적 메모리에 접근하려면 해당 페이지를 선형 주소로 변환해야 합니다(왜? MMU가 물리적 메모리에 액세스하는 방법을 생각해 보세요. 즉, 고급 메모리에 해당하는 페이지의 선형 공간을 찾아야 합니다. 이 프로세스를 고급 메모리 매핑이라고 합니다. 고급 메모리의 세 부분에 해당합니다. 고급 메모리 매핑에는 세 가지 방법이 있습니다. "커널 동적 매핑 공간"(비연속 메모리 할당)에 매핑됩니다. 이 방법은 vmalloc을 통해 매우 간단합니다. (), "커널 동적 매핑"에서 메모리 "공간"을 적용하면 고급 메모리에서 페이지를 얻을 수 있으므로(vmalloc 구현 참조) 고급 메모리가 " 커널 동적 매핑 공간". 영구 커널 매핑 alloc_page()를 통해 하이엔드 메모리에 해당하는 페이지를 얻은 경우 이에 대한 선형 공간은 어떻게 찾나요? 커널은 고급 메모리 매핑을 위해 PKMAP_BASE에서 FIXADDR_START까지 이를 위한 선형 공간을 특별히 따로 설정합니다. 2.6 커널에서 이 주소 범위는 4G-8M과 4G-4M 사이입니다. 이 공간을 "커널 영구 매핑 공간" 또는 "영구 커널 매핑 공간"이라고 합니다. 이 공간은 다른 공간과 동일한 페이지 디렉토리 테이블을 사용합니다. 커널의 경우, 일반 프로세스의 경우 CR3 레지스터가 가리킵니다. 일반적으로 이 공간의 크기는 4M이므로 커널은 pkmap_page_table을 통해 이 페이지 테이블을 검색합니다. kmap()을 통해 이 공간에 페이지를 매핑할 수 있습니다. 이 공간의 크기는 4M이므로 동시에 최대 1024페이지를 매핑할 수 있습니다. 따라서 사용하지 않는 페이지는 적시에 이 공간에서 해제되어야 합니다(즉, 매핑 관계가 해제됨). kunmap()을 통해 페이지에 해당하는 선형 주소가 이 공간에서 해제될 수 있습니다. 임시 커널 매핑 커널은 특별한 요구를 위해 FIXADDR_START에서 FIXADDR_TOP 사이에 일부 선형 공간을 예약합니다. 이 공간을 "고정 매핑 공간"이라고 하며, 이 공간의 일부는 고급 메모리의 임시 매핑에 사용됩니다. 이 공간은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다. (1) 각 CPU가 공간을 점유합니다. (2) 각 CPU가 점유하는 공간은 여러 개의 작은 공간으로 나누어지며, 각 작은 공간은 1페이지이며, 각 작은 공간은 목적에 따라 사용됩니다. , 이러한 목적은 kmap_types.h의 km_type에 정의되어 있습니다. 임시 매핑을 수행하려면 매핑 목적을 지정해야 합니다. 매핑 목적에 따라 해당 작은 공간을 찾은 다음 이 공간의 주소를 매핑 주소로 사용하면 됩니다. 이는 임시 매핑으로 인해 이전 매핑이 덮어쓰여진다는 의미입니다. 임시 매핑은 kmap_atomic()을 통해 이루어집니다. 3. 기타 1. 사용자 공간(프로세스)에는 하이엔드 메모리 개념이 있나요? 사용자 프로세스에는 고급 메모리 개념이 없습니다. 높은 메모리는 커널 공간에만 존재합니다. 사용자 프로세스는 최대 3G의 물리적 메모리에만 액세스할 수 있는 반면, 커널 프로세스는 모든 물리적 메모리에 액세스할 수 있습니다. 2. 64비트 커널에 고성능 메모리가 있나요? 현재 현실에서는 64비트 Linux 커널에는 512GB 이상의 메모리를 지원할 수 있기 때문에 고급형 메모리가 존재하지 않습니다. 머신에 설치된 물리적 메모리가 커널 주소 공간을 초과하면 고급 메모리가 됩니다. 3. 사용자가 액세스할 수 있는 실제 메모리는 얼마나 되나요? 커널 코드가 액세스할 수 있는 실제 메모리는 얼마나 됩니까? 32비트 시스템 사용자 프로세스는 최대 3GB에 접근할 수 있으며, 커널 코드는 모든 물리적 메모리에 접근할 수 있습니다. 64비트 시스템 사용자 프로세스는 최대 512GB 이상에 액세스할 수 있으며, 커널 코드는 모든 물리적 메모리에 액세스할 수 있습니다. 4. 하이엔드 메모리와 물리주소, 논리주소, 선형주소는 어떤 관계인가요? 고급 메모리는 논리 주소에만 관련되어 있으며 논리 주소 및 물리 주소와는 직접적인 관계가 없습니다.