linux物理内存探测

linux在被bootloader加载到内存后， cpu最初执行的linux内核代码是/header.S文件中的start_of_setup函数，这个函数在做了一些准备工作后会跳转到boot目下文件main.c的main函数执行，在这个main函数中我们可以第一次看到与内存管理相关的代码，这段代码调用detect_memeory()函数检测系统物理内存

在header.S中执行下面汇编代码：

start_of_setup:
       .....
# Jump to C code (should not return)
    calll   main
       .....

跳到boot目录下的main.c文件中

void main(void)
{
        ......
    /* Detect memory layout */
    detect_memory();/*内存探测函数*/
    ......
}

 

int detect_memory(void)
{
    int err = -1;

    if (detect_memory_e820() > 0)
        err = 0;

    if (!detect_memory_e801())
        err = 0;

    if (!detect_memory_88())
        err = 0;

    return err;
}

由上面的代码可知，linux内核会分别尝试调用detect_memory_e820()、detcct_memory_e801()、detect_memory_88()获得系统物理内存布局，这3个函数内部其实都会以内联汇编的形式调用bios中断以取得内存信息，该中断调用形式为int 0x15，同时调用前分别把AX寄存器设置为0xe820h、0xe801h、0x88h，关于0x15号中断有兴趣的可以去查询相关手册。下面分析detect_memory_e820()的代码，其它代码基本一样。

#define SMAP    0x534d4150  /* ASCII "SMAP" */
/*由于历史原因，一些i/o设备也会占据一部分内存
物理地址空间，因此系统可以使用的物理内存空
间是不连续的，系统内存被分成了很多段，每个段
的属性也是不一样的。int 0x15 查询物理内存时每次
返回一个内存段的信息，因此要想返回系统中所有
的物理内存，我们必须以迭代的方式去查询。
detect_memory_e820()函数把int 0x15放到一个do-while循环里，
每次得到的一个内存段放到struct e820entry里，而
struct e820entry的结构正是e820返回结果的结构！而像
其它启动时获得的结果一样，最终都会被放到
boot_params里，e820被放到了 boot_params.e820_map。
*/
static int detect_memory_e820(void)
{
    int count = 0;/*用于记录已检测到的物理内存数目*/
    struct biosregs ireg, oreg;
    struct e820entry *desc = boot_params.e820_map;
    static struct e820entry buf; /* static so it is zeroed */

    initregs(&ireg);/*初始化ireg中的相关寄存器*/
    ireg.ax  = 0xe820;
    ireg.cx  = sizeof buf;/*e820entry数据结构大小*/
    ireg.edx = SMAP;/*标识*/
    ireg.di  = (size_t)&buf;/*int15返回值的存放处*/

    /*
     * Note: at least one BIOS is known which assumes that the
     * buffer pointed to by one e820 call is the same one as
     * the previous call, and only changes modified fields.  Therefore,
     * we use a temporary buffer and copy the results entry by entry.
     *
     * This routine deliberately does not try to account for
     * ACPI 3+ extended attributes.  This is because there are
     * BIOSes in the field which report zero for the valid bit for
     * all ranges, and we don't currently make any use of the
     * other attribute bits.  Revisit this if we see the extended
     * attribute bits deployed in a meaningful way in the future.
     */

    do {
        /*在执行这条内联汇编语句时输入的参数有：
        eax寄存器=0xe820
        dx寄存器=’SMAP’
        edi寄存器=desc
        ebx寄存器=next
        ecx寄存器=size

        返回给c语言代码的参数有：
        id=eax寄存器
        rr=edx寄存器
        ext=ebx寄存器
        size=ecx寄存器
        desc指向的内存地址在执行0x15中断调用时被设置
        */
        intcall(0x15, &ireg, &oreg);
        /*选择下一个*/
        ireg.ebx = oreg.ebx; /* for next iteration... */

        /* BIOSes which terminate the chain with CF = 1 as opposed
           to %ebx = 0 don't always report the SMAP signature on
           the final, failing, probe. */
        if (oreg.eflags & X86_EFLAGS_CF)
            break;

        /* Some BIOSes stop returning SMAP in the middle of
           the search loop.  We don't know exactly how the BIOS
           screwed up the map at that point, we might have a
           partial map, the full map, or complete garbage, so
           just return failure. */
        if (oreg.eax != SMAP) {
            count = 0;
            break;
        }

        *desc++ = buf;/*将buf赋值给desc*/
        count++;/*探测数加一*/
    }
    while (ireg.ebx && count < ARRAY_SIZE(boot_params.e820_map));
    /*将内存块数保持到变量中*/
    return boot_params.e820_entries = count;
}

其中存放中断返回值得结构如下

struct e820entry {
    __u64 addr; /* start of memory segment */
    __u64 size; /* size of memory segment */
    __u32 type; /* type of memory segment */
} __attribute__((packed));

在内核初始化跳入start_kernel函数后执行以下初始化

start_kernel()->setup_arch()->setup_memory_map()

/*调用x86_init.resources.memory_setup()实现对e820内存图的优化，
将e820中得值保存在e820_saved中，打印内存图
*/
void __init setup_memory_map(void)
{
    char *who;
    /*调用x86体系下的memory_setup函数*/
    who = x86_init.resources.memory_setup();
    /*保存到e820_saved中*/
    memcpy(&e820_saved, &e820, sizeof(struct e820map));
    printk(KERN_INFO "BIOS-provided physical RAM map:\n");
    /*打印输出*/
    e820_print_map(who);
}

在x86_init.c中定义了x86下的memory_setup函数

struct x86_init_ops x86_init __initdata = {

    .resources = {
        ……
        .memory_setup       = default_machine_specific_memory_setup,
    },
        ……
};

char *__init default_machine_specific_memory_setup(void)
{
    char *who = "BIOS-e820";
    u32 new_nr;
    /*
     * Try to copy the BIOS-supplied E820-map.
     *
     * Otherwise fake a memory map; one section from 0k->640k,
     * the next section from 1mb->appropriate_mem_k
     */
    new_nr = boot_params.e820_entries;
    /*将重叠的去除*/
    sanitize_e820_map(boot_params.e820_map,
            ARRAY_SIZE(boot_params.e820_map),
            &new_nr);
    /*去掉重叠的部分后得到的内存个数*/
    boot_params.e820_entries = new_nr;
    /*将其赋值到全局变量e820中,小于0时，为出错处理*/
    if (append_e820_map(boot_params.e820_map, boot_params.e820_entries)
      < 0) {
        ……
    }

    /* In case someone cares... */
    return who;
}

append_e820_map调用__append_e820_map实现

static int __init __append_e820_map(struct e820entry *biosmap, int nr_map)
{
    while (nr_map) {/*循环nr_map次调用，添加内存块到e820*/
        u64 start = biosmap->addr;
        u64 size = biosmap->size;
        u64 end = start + size;
        u32 type = biosmap->type;
        /* Overflow in 64 bits? Ignore the memory map. */
        if (start > end)
            return -1;
        /*添加函数*/
        e820_add_region(start, size, type);
        biosmap++;
        nr_map--;
    }
    return 0;
}

 

void __init e820_add_region(u64 start, u64 size, int type)
{
    __e820_add_region(&e820, start, size, type);
}

e820为e820map结构

struct e820map {
    __u32 nr_map;
    struct e820entry map[E820_X_MAX];
};

其中E820_X_MAX大小为128.

tatic void __init __e820_add_region(struct e820map *e820x, u64 start, u64 size,
                     int type)
{
    int x = e820x->nr_map;

    if (x >= ARRAY_SIZE(e820x->map)) {
        printk(KERN_ERR "Ooops! Too many entries in the memory map!\n");
        return;
    }

到这里，物理内存就已经从BIOS中读出来存放到全局变量e820中，e820是linux内核中用于建立内存管理框架的基础。在后面我们会看到，建立初始化节点、管理区会用到他。