484
Linux內核剖析 之 內存尋址（二）
//接前一篇博客：
本節主要介紹硬件中分頁機製。
4、線性地址->物理地址（分頁：硬件部分）
為了效率，線性地址被分成以固定長度為單位的組，稱為頁（Page），頁內部連續的線性地址被映射到連續的物理地址中。
分頁單元把所有的內存分成固定長度的頁框（page frame）。每個頁框包含一個頁（page），也就是說一個頁框的長度與一個頁的長度一致。頁框是主存的一部分，因此是一個存儲區域。頁和頁框是不同的，也隻是一個數據塊，可以存放在任何頁框或磁盤中。
4.1、分頁
從80386起，Intel處理器的分頁單元處理4KB的頁。
32位線性地址被分成3個域：
*Directory（目錄）：最高10位
*Table（頁表）：中間10位
*Offset（偏移量）：最低12位
線性地址的轉換分兩步完成：
*頁目錄表轉換；
*頁表轉換。
使用二級模式的目的在於減少每個進程頁表所需內存的數量。
控製寄存器cr3中存放正在使用的頁目錄的物理地址。線性地址內的Directory字段決定頁目錄中的目錄項，而目錄項指向適當的頁表。地址的Table字段依次又決定頁表中的表項，而頁表含有頁所在頁框的物理地址。Offset字段決定頁框內的相對位置。由於Offset字段是12位長，故每一頁含有4096B的數據。
頁目錄項和頁表項具有相同的結構，每項包含下麵的字段：
*Present標誌：
置1，所指頁或頁表在主存中；為0，不在主存中。如果當訪問一個地址時，頁目錄項或頁表項的Present標誌為0，則分頁單元將該線性地址存放在寄存器cr2中，產生14號異常：缺頁異常。
*Field 標誌：
20位，頁目錄項中的Field指向包含一個頁表的頁框。頁表項中的Field指向包含一頁數據的頁框。
*PCD/PWT 標誌：控製硬件高速緩存處理頁或頁表的方式。
*Accessed 標誌：每當分頁單元對相應頁框進行尋址時，設置這個標誌。分頁單元從來不重置這個標誌，而是必須由操作係統去做。
*Dirty 標誌：隻應用於頁表項中，每當對一個頁框寫操作時就設置。分頁單元從來不重置這個標誌，而是必須由操作係統去做。
*Read/Write：頁或頁表的存取權限。與段的3種存取權限（讀、寫、執行）不同的是，頁的存取權限隻有兩種（讀、寫）。如果Read/Write標誌為0，說明相應的頁表或頁是隻讀的，否則是可讀寫的。
*User/Supervisor：訪問頁或頁表所需的特權級。若此標誌為0，隻有當CPL小於3（Linux：CPU處於內核態）時才能對頁尋址，否則總能對頁尋址。
*Page Size：隻應用於頁目錄項。設置為1，則頁目錄項指向2M或4M的內存。（hugepage）
*Global標誌：隻應用於頁表項，用於防止常用頁（全局頁）從TLB中刷新出去。（當cr4寄存器的PGE（頁全局啟用）標誌置位時，這個標誌才有效）。
##擴展分頁：（頁框大小為4MB而不是4KB）
——通過設置cr4處理器寄存器的PSE標誌能使擴展分頁與常規分頁共存。
對於2M頁麵，啟動時傳遞內核參數
hugepages=1024
對於1GB的頁麵:
default_hugepagesz=1G hugepagesz=1G hugepages=4
CPU所支持的hugepage大小可以由cpu標誌得知
If pse exists, 2M hugepages are supported; if pdpe1gb exists, 1G hugepages are supported.
For 2 MB pages, there is also the option of allocating hugepages after the system has booted.
echo 1024 > /sys/kernel/mm/hugepages/hugepages-2048kB/nr_hugepages
mkdir /mnt/huge
mount -t hugetlbfs nodev /mnt/huge
隻要是在 /mnt/huge/ 目錄下創建的文件，將其映射到內存中時都會使用 2MB 作為分頁的基本單位。值得一提的是，hugetlbfs 中的文件是不支持讀 / 寫係統調用 ( 如read()或write()等 ) 的，一般對它的訪問都是以內存映射的形式進行的。
在實際應用中，為了使用大頁麵，還需要將應用程序與庫libhugetlb鏈接在一起。libhugetlb庫對malloc()/free()等常用的內存相關的庫函數進行了重載，以使得應用程序的數據可以放置在采用大頁麵的內存區域中，以提高內存性能。
##物理地址擴展（PAE）分頁機製：
物理地址擴展（Physical Address Extension，PAE）用於將32位線性地址轉換為36位物理地址。
通過設置cr4控製寄存器中的PAE標誌激活PAE。
PAE分頁機製：
*64GB的RAM被分為2^24個頁框，頁表項的物理地址字段從20位擴展到了24位。一個4KB的頁表包含512個表項而不是1024個表項。
*引入頁目錄表指針表（Page Directory Pointer Table，PDPT）的頁表新級別，它由4個64為表項組成。
*cr3控製寄存器包含一個27為的頁目錄指針表（PDPT）基地址字段。
*當把線性地址映射到4KB的頁時，32位線性地址按下列方式解釋：
Cr3：指向一個PDPT；
位31-30：指向PDPT中4個項的一個；
位29-21：指向頁目錄表中512個項中的一個；
位20-12：指向頁表中512項中的一個；
位11-0：4KB頁中的偏移量。
*當把線性地址映射到2MB的頁時，32位線性地址按下列方式解釋：
Cr3：指向一個PDPT；
位31-30：指向PDPT中4個項的一個；
位29-21：指向頁目錄表中512個項中的一個；
位20-0：2MB頁中的偏移量。
4.2 加快線性地址轉換
為了縮小CPU和RAM之間的速度不匹配，引入了硬件高速緩存。基於局部性原理。
#cache line ：高速緩存與內存間一次傳輸數據的長度。
#PCD 當訪問該頁框中數據時，高速緩存功能被啟用還是禁用。
#PWT：當數據被寫到頁框時，采用通寫策略還是回寫策略。
Linux對所有頁框都啟用高速緩存，對寫操作都采用回寫策略。
TLB(Translation Lookaside Buffer)：轉換後援緩衝器。
在多處理器係統中，每個CPU都有自己的TLB，稱為本地TLB。
機製：當一個線性地址第一次使用時，通過慢速訪問RAM的頁表計算出相應的物理地址，同時，該物理地址被存放在一個TLB表項（TLB Entry）中，以便以後對同一線性地址的引用可以快速地轉換。
最後更新：2017-04-03 05:39:30