kernel - 所有物理内存都映射到内核虚拟地址吗？

Question

最近在学习设备驱动，想起了虚拟内存的概念。虽然我学生时代就参加过计算机体系结构类(class)，但说实话，虚拟内存从概念上来说太复杂了，一直让我很困惑。我是一个EE人，所以，请从真正区分这个概念的BIG PICTURE的角度解释一下。我可以自己深入研究技术细节。

当我们谈论虚拟内存时，我们谈论的是进程的内存分配方法。进程是虚拟内存服务的进程，对吧？对于4GB地址空间的32位系统，通常将0-3G分配给用户空间虚拟地址，3-4G空间分配给内核。这就是所谓的3G/1G划分，摘自下面的帖子:

http://users.nccs.gov/~fwang2/linux/lk_addressing.txt

但是，这篇文章还说明了所有物理内存都映射到内核空间，而对于用户空间没有任何影响。这真的让我很困惑。我在此处的帖子中列出了这一部分:

#

因此，在3G/1G分割中，内核拥有1GB的虚拟地址空间。请记住，要访问物理地址，您需要一个虚拟地址从开始，甚至对于内核也是如此。所以如果你不做任何特别的事情，1GB虚拟地址有效地限制了内核可以访问的物理空间1GB。好吧，也许这是第三个不太明显的细节:内核需要访问每个物理内存都可以充分利用它。

早期，一台机器的物理空间远小于1GB，OK，整个物理内存都映射到了这1GB虚拟地址上。

   process address space 

4GB +---------------+
    |     512MB     |
    +---------------+ <------+     physical memory               
    |     512MB     |        | 
3GB +---------------+ <--+   +---> +------------+ 
    |               |    |         |   512 MB   |
    |     /////     |    +-------> +------------+
    |               |     
0GB +---------------+     

#

这篇文章也说明了当物理内存高于 2G 时同样的事情:

#

                                       physical mem
   process address space    +------> +------------+
                            |        |  3200 M    |
                            |        |            |
4GB +---------------+ <-----+        |  HIGH MEM  |
    |     128 MB    |                |            |
    +---------------+ <---------+    |            |
    +---------------+ <------+  |    |            | 
    |     896 MB    |        |  +--> +------------+         
3GB +---------------+ <--+   +-----> +------------+ 
    |               |    |           |   896 MB   |
    |     /////     |    +---------> +------------+
    |               |     
0GB +---------------+     

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我的问题是，为什么所有物理内存都映射到内核空间？没有到较低的0-3G用户空间？

我想我错过了一些与该帖子背后的大局相关的内容，但是，我错过了什么？

感谢您的时间和努力!

Answer 1

具有映射的页面不自动意味着它位于物理内存中的某个位置。它只是为您提供物理内存中在何处查找页面的地址。

无论如何，我们通常都有内存层次结构。如今，三级层次结构并不罕见。因此很有可能在这些缓存之一中找到给定的内存地址。如果不是，那么内核将必须通过从内存中逐出(解锁)页面来启动页面替换算法。

据我所知，用户页面和内核页面之间的唯一区别是内核页面具有“更高”的特权代码，允许其访问特权指令，并且在 32 位 Linux 的情况下，任何给定进程的内核部分将始终具有 固定虚拟地址空间，在进程上下文切换之间不改变。为了简化并加快物理地址的转换，映射也由预先配置的偏移量固定。除此之外，用户空间页面和内核空间页面之间没有太大区别。两者都在“竞争”物理内存。

无论如何，调度程序决定接下来运行哪个实体，无论是常规用户空间进程、内核控制路径(搭载当前进程)还是内核线程。根据该决定，交换器将从 RAM 中换出页面以腾出空间，然后从所选实体中换入页面。

中断具有完全不同的上下文，绕过调度程序，完全让 CPU 受其支配。在这种情况下，ISR 将运行，它也将访问虚拟内存。如果ISR对应的页没有驻留在内存中，就会出现双重错误，这通常表明作者的编程很差劲。这些的处理方式因架构而异。有些会处理故障直到某个点，有些会抛出内核 OOP 消息并停止。然而，与您的问题相关的是，即使是系统中具有最高优先级的 ISR(高于进程/线程)也必须确保有足够的内存来完成这项工作。

P.S:在本次讨论中，我们假设所有缓存请求均未命中，因此我们必须一直访问 RAM(再次被填满)。