原创 Linux驱动的地址空间和硬件地址空间说明

2010-12-7 17:31 1454 3 3 分类: MCU/ 嵌入式

作者:李强,华清远见嵌入式学院讲师。


有这么几个问题,在上驱动课程的时候,我感觉一直困扰着同学们:


●    用户程序编译连接形成的地址空间在什么范围内?
        ●    内核编译后地址空间在什么范围内?
        ●    要对外设进行访问,I/O的地址空间又是什么样的?


于是就有了这篇文章,从大概上把内存相关知识点介绍一下,减少同学们在驱动课时对内存的困惑


先回答第一个问题。Linux最常见的可执行文件格式为elf(Executable and Linkable Format)。在elf格式的可执行代码中,ld总是从0x8000000开始安排程序的“代码段”,对每个程序都是这样。至于程序执行时在物理内存中的实际地址,则由内核为其建立内存映射时临时分配,具体地址取决于当时所分配的物理内存页面。


我们可以用Linux的实用程序obj对你的程序进行反汇编,从而知晓其地址范围。


例如:假定我们有一个简单的C程序Hello.c


# include <stdio.h>
        greeting ( )
        {
                printf(“Hello,world!\n”);
        }
        main()
        {
                greeting();
        }


之所以把这样简单的程序写成两个函数,是为了说明指令的转移过程。我们用gcc和ld对其进行编译和连接,得到可执行代码hello。然后,用Linux的实用程序obj对其进行反汇编:
        $obj –d hello


得到的主要片段为:


08048568 <greeting>:
                8048568:        pushl     %ebp
                8048569:        movl     %esp, %ebp
                804856b:        pushl    $0x809404
                8048570:        call        8048474 <_init+0x84>
                8048575:        addl        $0x4, %esp
                8048578:        leave
                8048579:        ret
                804857a:        movl       %esi, %esi
                0804857c <main>:
                804857c:        pushl    %ebp
                804857d:        movl    %esp, %ebp
                804857f:         call        8048568 <greeting>
                8048584:        leave
                8048585:        ret
                8048586:        nop
                8048587:        nop


其中,像08048568这样的地址,就是我们常说的虚地址(这个地址实实在在的存在,只不过因为物理地址的存在,显得它是“虚”的罢了)。


虚拟内存、内核空间和用户空间(部分内容参考《ULK》V3中文版)


Linux虚拟内存的大小为2^32(在32位的x86机器上),内核将这4G字节的空间分为两部分。最高的1G字节(从虚地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)供内核使用,称为“内核空间”。而较低的3G字节(从虚地址0x00000000到0xBFFFFFFF),供各个进程使用,称为“用户空间”。因为每个进程可以通过系统调用进入内核,因此,Linux内核空间由系统内的所有进程共享。于是,从具体进程的角度来看,每个进程可以拥有4G字节的虚拟地址空间(也叫虚拟内存)。


每个进程有各自的私有用户空间(0~3G),这个空间对系统中的其他进程是不可见的。最高的1GB内核空间则为所有进程以及内核所共享。另外,进程的“用户空间”也叫“地址空间”,在后面的叙述中,我们对这两个术语不再区分。


用户空间不是进程共享的,而是进程隔离的。每个进程最大都可以有3GB的用户空间。一个进程对其中一个地址的访问,与其它进程对于同一地址的访问绝不冲突。比如,一个进程从其用户空间的地址0x1234ABCD处可以读出整数8,而另外一个进程从其用户空间的地址0x1234ABCD处可以读出整数20,这取决于进程自身的逻辑。


任意一个时刻,在一个CPU上只有一个进程在运行。所以对于此CPU来讲,在这一时刻,整个系统只存在一个4GB的虚拟地址空间,这个虚拟地址空间是面向此进程的。当进程发生切换的时候,虚拟地址空间也随着切换。由此可以看出,每个进程都有自己的虚拟地址空间,只有此进程运行的时候,其虚拟地址空间才被运行它的CPU所知。在其它时刻,其虚拟地址空间对于CPU来说,是不可知的。所以尽管每个进程都可以有4 GB的虚拟地址空间,但在CPU眼中,只有一个虚拟地址空间存在。虚拟地址空间的变化,随着进程切换而变化。


从上面我们知道,一个程序编译连接后形成的地址空间是一个虚拟地址空间,但是程序最终还是要运行在物理内存中。因此,应用程序所给出的任何虚地址最终必须被转化为物理地址,所以,虚拟地址空间必须被映射到物理内存空间中,这个映射关系需要通过硬件体系结构所规定的数据结构来建立。这就是我们所说的段描述符表和页表,Linux主要通过页表来进行映射。


于是,我们得出一个结论,如果给出的页表不同,那么CPU将某一虚拟地址空间中的地址转化成的物理地址就会不同。所以我们为每一个进程都建立其页表,将每个进程的虚拟地址空间根据自己的需要映射到物理地址空间上。既然某一时刻在某一CPU上只能有一个进程在运行,那么当进程发生切换的时候,将页表也更换为相应进程的页表,这就可以实现每个进程都有自己的虚拟地址空间而互不影响。所以,在任意时刻,对于一个CPU来说,只需要有当前进程的页表,就可以实现其虚拟地址到物理地址的转化。


内核空间到物理内存的映射


在驱动中我们提的比较多的就是内核空间与硬件内存地址,那么我们下面来详细介绍下内核空间和实际的硬件物理地址。


内核空间对所有的进程都是共享的,其中存放的是内核代码和数据,而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据,不管是内核程序还是用户程序,它们被编译和连接以后,所形成的指令和符号地址都是虚地址,而不是物理内存中的物理地址。


虽然内核空间占据了每个虚拟空间中的最高1GB字节,但映射到物理内存却总是从最低地址(0x00000000)开始的,之所以这么规定,是为了在内核空间与物理内存之间建立简单的线性映射关系。其中,3GB(0xC0000000)就是物理地址与虚拟地址之间的位移量,在Linux代码中就叫做PAGE_OFFSET。


我们来看一下在include/asm/i386/page.h头文件中对内核空间中地址映射的说明及定义:


#define __PAGE_OFFSET                (0xC0000000)
        ……
        #define PAGE_OFFSET                ((unsigned long)__PAGE_OFFSET)
        #define __pa(x)                ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
        #define __va(x)                ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))


对于内核空间而言,给定一个虚地址x,其物理地址为“x- PAGE_OFFSET”,给定一个物理地址x,其虚地址为“x+ PAGE_OFFSET”。


这里再次说明,宏__pa()仅仅把一个内核空间的虚地址映射到物理地址,而决不适用于用户空间,用户空间的地址映射要复杂得多,它通过分页机制完成。


待续……

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