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Linux内核 MMU的工作原理

执行下面这些指令： MOVE REG,0// 将 0 号地址的值传递进寄存器 REG 虚拟地址 0 将被送往MMU，MMU看到该虚拟地址落在页0 范围内（页0 范围是0 到 4095）,从上图我们可以看出页...物理内存中的页称为物理页帧（page frame）,虚拟内存的哪个页面映射到物理内存的哪个页帧是通过页表（Page Table）来描述的，页表保存在物理内存中，MMU 会查找页表来确定一个VA 应该映射到什么...操作系统和 MMU 是这样配合的：操作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表，然后用指令设置MMU，告诉MMU 页表在物理内存中的什么位置。...MMU 除了做地址转换之外，还提供内存保护机制，各种体系结构都有用户模式（User Mode）和特权模式（Privileged Mode）之分，操作系统可以在页表中设置每个内存页面的访问权限， 有些页面不允许访问...用户空间和内核空间 通常操作系统把虚拟地址划分为用户空间和内核空间，例如 X86平台的Linux 系统虚拟地址空间是0x00000000 - 0xFFFFFFFF，前3GB（0x00000000 - 0xBFFFFFFF

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    Linux内存管理之MMU的过程

    在解释地址转换的本质前我们先理解下几个概念： TLB：MMU工作的过程就是查询页表的过程。如果把页表放在内存中查询的时候开销太大，因此为了提高查找效率，专门用一小片访问更快的区域存放地址转换条目。...我们知道linux采用了分页机制，通常采用四级页表，页全局目录(PGD)，页上级目录(PUD)，页中间目录(PMD)，页表(PTE)。如下： ?...第三次读取内存得到pmd_t结构的目录项，从中取出页表的物理基地址。 从线性地址的第四部分中取出页表项的索引，与页表基址相加得到页表项的物理地址。...linux中对地址转换的实现 /*描述各级页表中的页表项*/ typedef struct { pteval_t pte; } pte_t; typedef struct { pmdval_t pmd;...这个过程也是mmu的过程。 小结 我相信你已经对cpu通过MMU访问内存的本质有所掌握(还是不理解的话不要说认识我)，而且通过linux的一个实验，对其软件模拟流程也有所感性的认识。

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    【Linux 内核 内存管理】内存管理架构 ③ ( Linux 内核中的内存管理模块 | 页分配器 | 不连续页分配器 | 内存控制组 | 硬件设备内存管理 | MMU | 页表缓存 | 高速缓存 )

    文章目录 一、Linux 内核中的内存管理模块 二、硬件设备内存管理 一、Linux 内核中的内存管理模块 ---- Linux 内核还需要处理如下内容 : ① 页错误异常处理 ② 页表管理 ③ 引导内存分配器...: 页分配器 , 块分配器 , 不连续页分配器 , 连续内存分配器 , 每处理器内存分配器 ; " 页分配器 " 负责分配 内存物理页 , 使用的是 " 伙伴分配器 " ; " 不连续页分配器 " 提供了...vmalloc 函数 用于分配内存 , vfree 函数 用于 释放内存 ; 申请的 " 不连续物理页 “ 可以 映射到 ” 连续的虚拟页 " ; ④ 内存碎片整理 ⑤ 内存耗尽处理 ⑥ 内存控制组...回收内存 ; ⑦ 页回收处理 二、硬件设备内存管理 ---- 硬件设备内存管理 : ① CPU 处理器 中的 " 内存管理单元 " ( MMU ) 和 高速缓存 ; ② 物理内存 在 " 内存管理单元..." ( MMU ) 中 , 还有一个 " 页表缓存 " ; 页表缓存 中缓存了 最近使用的 " 页表映射 “ , 该映射的作用是 将 ” 物理地址 " 映射为 " 虚拟地址 " ; CPU 处理器

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    页表与三级页表介绍

    在操作系统与计组学习中，我们会学习到页表这个概念，可以说，如今计算机的函数内存调用有很大一部分都离不开页表的调用，本文旨在详解页表的概念应用以及操作系统中的三级页表，三级页表对于节省空间起了至关重要的作用...： 程序执行过程中，CPU会通过MMU（内存管理单元，每个CPU都有，负责将虚拟地址转换为物理地址），将当前的VA（虚拟地址）转换为PA（物理地址），之后到相应的内存单元执行 页表条目 页表条目构成如下图...： Physical Page Number: 物理地址，44位，指向实际的物理内存地址 RSV： 被MMU忽略 V：当前页表条目是否生效（valid），如果设置说明当前页表条目生效 U：当前页表条目是否可以被用户空间访问...： 物理地址（56位） = 底层页表PPN（44位） + 虚拟地址offset（12位） 在三级页表的基础上，假设只使用了几个页面，那么中间层页表只需要加载0号页表即可，底层页表只需要加载要使用的几个页表项即可...，中间层页表省了511个页面，底层页表省下了511*512个页面 简单理解，其实单级页表就是用长宽高之积来描述长方体，而三级页表就是用长、宽、高三个坐标来描述长方体，这样做的目的就是大大节省了加载页表所需要的空间

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    Linux内核页表管理-那些鲜为人知的秘密

    虚拟地址转换物理地址的过程：打开mmu后，cpu访问的都是虚拟地址，当cpu访问一个虚拟地址的时候，会通过cpu内部的mmu来查询物理地址，mmu首先通过虚拟地址在tlb中查找，如果找到相应表项，直接获得物理地址...；如果tlb没有找到，就会通过虚拟地址从页表基地址寄存器保存的页表基地址开始查询多级页表，最终查询到找到相应表项，会将表项缓存到tlb中，然后从表项中获得物理地址。...Linux内核为何使用多级页表？...遍历页表，将va转换为pa，页面权限管理 涉及到的硬件为: mmu ->功能：查询tlb或者遍历页表 tlb ->功能：缓存最近转换的页表条目 页表基地址寄存器 如ttbr0_el1 ttbr1_el1...2）Linux内核 填写页表，将页表基地址告诉mmu 内核初始化建立内核页表，实现缺页异常等机制为用户任务按需分配并映射页表。 当然，内核也可以遍历页表，如缺页异常时遍历进程页表。 10.

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    Linux下内存空间分配、物理地址与虚拟地址映射

    4M，这对空间占用和MMU查询速度都很不利。...具体说可以把20bits的页号再划分为几部分 简单说每次MMU根据虚拟地址查询页表都是一级级进行，先根据PGD的值查询，如果查到PGD的匹配，但后续PMD和PTE没有，就以2(offset+pte+pmd...系统初始化代码会在内存中生成页表，然后把页表地址设置给MMU对应寄存器，使MMU知道页表在物理内存中的什么位置，以便在需要时进行查找。...条目就到外部页表查询，并置换进TLB；根据PTE条目中对访问权限的限定检查该条VA指令是否符合，若不符合则不继续，并抛出exception异常；符合后根据VA的地址分段查询页表，保持offset(广义)...在这个过程中,软件的工作核心就是生成和配置页表。 ARM系列的MMU ARM出品的CPU，MMU作为一个协处理器存在。根据不同的系列有不同搭配。需要查询DATASHEET才可知道是否有MMU。

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    内存系列学习（一）：万字长文带你搞定MMU&TLB&TWU

    TLB是一个高速缓存，用于缓存页表转换的结果，从而缩短页表查询的时间。 TWU是一个页表遍历模块，页表是由操作系统维护在物理内存中，但是页表的遍历查询是由TWU完成的，这样减少对CPU资源的消耗。...在REE(linux)和TEE(optee)双系统的环境下，可同时开启两个系统的MMU。...Walk），页表查询的过程由硬件自动完成，但是页表的维护需要软件来完成。...页表查询是一个相对耗时的过程，理想的状态是TLB里缓存有页表转换的相关信息。当TLB未命中时，才会去查询页表，并且开始读入页表的内容。...MMU查询的过程中，用户进程的一级页表的基址存放在TTBR0。操作系统的内核空间公用一块地址空间，MMU查询的过程中，内核空间的一级页表基址存放在TTBR1。

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    一文看懂影子页表和扩展页表

    后引入页表机制，把虚拟地址送往MMU，MMU查TLB不中的情况下，依次查页表就可以找到对应的物理地址。...，X86上叫CR3 EPT：扩展页表 ptr：这里用来描述指向某个页表的寄存器 一.内存虚拟化要解决的问题 内存虚拟化实际实现就是MMU虚拟化，要实现GVA -> GPA -> HVA -> HPA...3， HVA->HPA，这一过程就是我们已知的使用物理MMU完成VMM进程的虚拟内存到物理内存的转换。 4， 把GVA -> HPA，这一路的映射关系记录到页表中，这个页表就是影子页表。...所以说EPT/NPT MMU解耦了GVA->GPA转换和GPA->HPA转换之间的依赖关系。并且一个VM只需要一套EPT页表，减少了内存开销，维护也比较简单。...四.看图总结 最后我们直观的看看引入虚拟化之后MMU的变化情况： 没有虚拟化: 影子页表： EPT/NPT： 通过上面的对比图，我们应该能清楚的看到MMU虚拟化的整个设计思。

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    廖威雄: 学习Linux必备的硬件基础一网打尽

    图 5-1获取物理地址 【a】CPU向MMU发送虚拟地址 【b】MMU查询快表TLB 快表命中：从快表获取物理地址，由MMU继续根据物理地址匹配数据页【步骤A】 快表不命中：查询页表【步骤c】 【c】从高速缓存查询页表...从页表获取虚拟地址的映射关系后，进入【步骤e】 【e】把查询的页表项记录到高速缓存，进入【步骤f】 【f】MMU从高速缓存中获取页表项 虚拟地址有分配物理页框：转换物理地址并更新快表，由MMU继续根据物理地址匹配数据页...图 5-3最理想情况下CPU获取数据 【a】CPU向MMU发送虚拟地址 【b】MMU查询快表TLB 快表命中：从快表获取物理地址，由MMU继续根据物理地址匹配数据页【步骤A】 【A】MMU获取物理地址后...图 6-4获取物理地址 【a】CPU向MMU发送虚拟地址0x10240011，转换出虚拟页号为第66112页，偏移为0x11 【b】MMU查询快表TLB，快表不命中 【c】从高速缓存查询页表，高速缓存不命中...【d】从内存中查询页表，内存中有进程的完整页表 【e】把查询的页表项记录到高速缓存 【f】MMU从高速缓存中获取页表项，发现虚拟地址没分配物理页框，触发缺页中断 【g】进入缺页中断处理程序 【h】为第

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    Liunux内核内存管理之虚拟地址空间

    、MacOS、Linux、Android； 不用MMU的是：FreeRTOS、VxWorks、UCOS…… 与此相对应的：CPU也可以分成两类，带MMU的、不带MMU的。...带MMU的是：Cortex-A系列、ARM9、ARM11系列； 不带MMU的是：Cortex-M系列……（STM32是M系列，没有MMU，不能运行Linux，只能运行一些UCOS、FreeRTOS等等）...只有在TLB无法完成地址翻译任务时，才会到内存中查询页表，这样就减少了页表查询导致的处理器性能下降。 如果没有TLB，则每次取数据都需要两次访问内存,即查页表获得物理地址和取数据....虚拟内存的哪个页面映射到物理内存的哪个页帧是通过页表（Page Table）来描述的，页表保存在物理内存中，MMU会查找页表来确定一个VA应该映射到什么PA。...OS和MMU是这样配合的： 操作系统在初始化或分配、释放内存时会执行一些指令在物理内存中填写页表，然后用指令设置MMU，告诉MMU页表在物理内存中的什么位置。

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    内核页表调试

    一、配置内核 首先配置内核，使其支持导出内核页表到debugfs下面: Kernel hacking ---> ---> [*] Export kernel pagetable layout to...而为了快速方便找到对应物理页而将所有的页帧结构体映射到此区域，后续只需使用virt_to_page, phys_to_page等宏实现虚拟地址，物理地址到对应页结构体的快速查询。...地址空间port属性说明 第一列 当前页表的映射范围地址 第二列 代表此映射范围大小 PMD PUD PTE 当标识为PMD PUD表示当前映射为block映射，如当前页表为4K,则pud的block映射一次性可映射...当标识为PTE表示为页表映射即PAGE_SIZE大小4K。 USR AP标记，用于标识当前范围是否在用户空间还是内核空间可读可写或者仅读。...x表述当前范围特权级别模式可执行，就是内核的可执行代码段，在内核中这段一般指向内核的text*段 SHD 表示可共享属性，在arm64上表述为多核之间可共享其页表可见 AF 访问标志，当首次映射页表时，

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    【Linux 内核 内存管理】物理内存组织结构 ⑥ ( 物理页 page 简介 | 物理页 page 与 MMU 内存管理单元 | 内存节点 pglist_data 与 物理页 page 联系 )

    文章目录 一、物理页 page 简介 1、物理页 page 引入 2、物理页 page 与 MMU 内存管理单元 3、物理页 page 结构体 4、Linux 内核源码中的 page 结构体 二、内存节点..., 就是 " 内存区域 " zone , " 内存区域 " 再向下划分 , 就是 " 物理页 " page ; 2、物理页 page 与 MMU 内存管理单元 在 Linux 内核中 , MMU 内存管理单元..., 主要作用是 将 " 虚拟地址 " 映射到 真实的 " 物理地址 " 中 , MMU 将 物理页 page 作为内存管理基本单位 , 不同体系结构的支持的 物理页 大小也不同 , 32 位体系结构中...结构体 " 物理页 " page 是 Linux 内核 " 内存管理 " 中的 最小单位 , 物理页 中的 " 物理地址 " 是连续的 , 每个 " 物理页 " 使用 struct page 结构体...内核源码中的 page 结构体 " 物理页 " 使用 page 结构体 进行描述 , 该结构体又称为 " 页描述符 " ; 该 page 结构体 定义在 Linux 内核源码的 linux-4.12\

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    深入理解Linux内核页表映射分页机制原理

    而VPN到PFN的映射关系是通过页表记录的。MMU通过页表记录的映射关系完成VPN到PFN的转换，即找到了页表就找到了物理地址。 1.1 页表存在哪里？...可见页表所需要的空间是很大的，所以页表都存储在物理内存中。即MMU通将虚拟地址转换为物理地址，需要访问物理内存中对应的页表。...不同进程都拥有自己的一套页表，因而即使两个进程虚拟地址相同，映射的物理地址也是不同的。切换地址空间相当于控制MMU访问不同进程拥有的页表，MMU找到了页表就找到了物理地址。...多级页表的后几级页表映射关系没有存在内存中，MMU地址转换中发现页表不存在需要向操作系统上报缺页异常，操作系统需要在缺页异常中下发页表到内存； 额外的内存访问：MMU进行地址转换需要通过页表基址寄存器找到一级页表...ARMv7页表属性的定义分为Linux版本的页表和ARMv7硬件的页表。 Linux版本的PTE页表属性定义加入前缀L_，如下所示： /* * "Linux" PTE definitions.

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    Linux-3.14.12内存管理笔记【建立内核页表（1）】

    前面已经分析过了Intel的内存映射和linux的基本使用情况，已知head_32.S仅是建立临时页表，内核还是要建立内核页表，做到全面映射的。...建立内核页表前奏，了解两个很关键的变量： max_pfn：最大物理内存页面帧号； max_low_pfn：低端内存区（直接映射空间区的内存）的最大可用页帧号； max_pfn 的值来自setup_arch...Linux是一个支持多硬件平台的操作系统，各种硬件芯片的分页并非固定的2级（页全局目录和页表），仅仅Intel处理器而言，就存在3级的情况（页全局目录、页中间目录和页表），而到了64位系统的时候就成了4...所以Linux为了保持良好的兼容性和移植性，系统设计成了以下的4级分页模型，根据平台环境和配置的情况，通过将页上级目录和页中间目录的索引位设置为0，从而隐藏了页三级目录和页中间目录的存在。...此外还有一个准备操作，在setup_arch()函数中调用的页表缓冲区申请操作： early_alloc_pgt_buf()： 【file：/arch/x86/mm/init.c】 void __init

    1.9K41

    深入理解虚拟 物理地址转换，页表--基于ARMV8

    页表转换寄存器描述符 1.1，页表/页目录结构 基于前言中的内核配置，内核采用39位虚拟地址，因此可寻址范围为2^39 = 512G,采用(linux 默认为五级页表，另外还有PUD,P4D，由于本文只配置三级...； 当bit[1:0] = {1,0|0,0}时，该表项为无效项； 转换表描述符中lower attributes中存储相关属性信息，mmu在查找到相应的表项时，首先会查询属性信息，确认地址的相关属性(...页表的查询，因此在进程切换时，TTBR0中的值(task_struct.mm.pgd)是要同时改变的，这也与linux中每一个进程都独占整个虚拟(此为512G)地址空间相对应； 三、转换流程 据此可以画出如下转换框图...假设它有效，且允许访问内存； 5,MMU从PGD目录表项中获取bit[39:12]，作为PMD页表的物理基址(table descriptor)。...6,PMD包含512个64位PTE表，从虚拟地址中获取VA[30:21]进行索引，PMD+(index[30:21]8)，MMU从PMD表项中读取PTE表的基地址； 7,MMU检查PMD目录项的有效性(

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    操作系统段页结合的实际内存管理--13

    虚拟地址，经过MMU计算，得到虚拟页号，然后去查询对应的页表，得到对应的真实物理页号 通过真实的物理页号，和对应的页内偏移地址，就可以计算出真实的物理地址了 ---- 一个实际的段、页式内存管理 这个故事从哪里开始...假设父进程需要向内存中写入一个7，然后给出一个偏移地址，MMU通过段基址寄存器中保存的段号，和对应的偏移地址自动去查询段表，得到对应的虚拟地址，然后通过虚拟地址就知道了页目录号，页号，和页内偏移地址，然后马上又会去查询页表...---- 虚拟地址转换物理地址的过程: 打开mmu后，cpu访问的都是虚拟地址，当cpu访问一个虚拟地址的时候，会通过cpu内部的mmu来查询物理地址，mmu首先通过虚拟地址在tlb中查找，如果找到相应表项...，直接获得物理地址；如果tlb没有找到，就会通过虚拟地址从页表基地址寄存器(cr3)保存的页表基地址开始查询多级页表，最终查询到找到相应表项，会将表项缓存到tlb中，然后从表项中获得物理地址。...OS和MMU的关系简单说： 系统初始化代码会在内存中生成页表，然后把页表地址设置给MMU对应寄存器，使MMU知道页表在物理内存中的什么位置，以便在需要时进行查找。

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