Linux驱动的地址空间和硬件地址空间说明

Linux驱动的地址空间和硬件地址空间说明有这么几个问题,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...

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 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 : 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 : 804857c: pushl %ebp 804857d: movl %esp, %ebp 804857f: call 8048568 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。

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