[Linux内存管理-分页机制]—把一个虚拟地址转换为物理地址

    由于内核在不同的CPU上运行，甚至包括目前的64位机器。Linux内核提供了4级页表的管理机制，它可以兼容各种架构的CPU。

    一个虚拟地址会被分为5个部分：页全局目录PGD（Page Global Directory），页上级目录PUD （Page Upper Directory），页中间目录PMD（Page Middle Directory，页表PT （Page Table）以及 偏移量offset，其中的表项叫页表项PTE（Page table entry）。也就是说一个线性地址中除去偏移量，分别存放了4级目录表项的索引值。

   具体的线性地址翻译成物理地址的过程是：

     （1）首先从进程地址描述符中（mm_struct）中读取pgd字段的内容。它就是页全局目录的起始地址；

     （2）然后，页全局目录起始地址+页全局目录索引---->页上级目录的起始地址；

     （3）页上级目录+页上级目录索引---->页中间目录的起始地址；

     （4）页中间目录的起始地址+页中间目录的索引---->页表起始地址；

     （5）页表起始地址+索引---->页表项；

     （6）从页表项中取出物理页的基址，加上偏移量可以得到最终的物理地址。

以2级页表管理机制做一个原理性的说明，4级页表管理类似：

2级页表管理机制原理：

对于4级页表管理机制：

那么线性地址被分成五部分：

页表：

页表项的集合形成了页表。在一级页表内，页表项连续存放。在虚拟地址转为为物理地址过程中，没访问一次页表就需要访问一次内存。

页表项：

每个页表项的信息分为两部分：页框基地址和属性，对于我们查找物理地址来说有用的部分是页表基地址。

内核相关部分代码分析：

PAGE_SZIE  

/* page.h:PAGE_SHIFT determines the page size */  
#define PAGE_SHIFT	12
#define PAGE_SIZE	(_AC(1, UL) << PAGE_SHIFT)
#define PAGE_MASK	(~(PAGE_SIZE-1))

其中PAGE_SIZE表明了一个page的大小（2^12字节，4K大小）。我们用的是PAGE_MASK为 11111111111111111111000000000000（20位“1”，12位’0‘）实际上能够达到取物理地址基址和屏蔽页内地址的作用。

PGD

/*pgtable-2level.h*/
#define PGDIR_SHIFT	22
#define PGDIR_SIZE	(1UL << PGDIR_SHIFT)
#define PGDIR_MASK	(~(PGDIR_SIZE-1))

#define PTRS_PER_PGD<span style="white-space:pre">	</span>1024

/*pgtable.h*/
#define pgd_index(address)	(((address) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD-1))
/* to find an entry in a page-table-directory */
#define pgd_offset(mm, addr)	((mm)->pgd + pgd_index(addr))

从以上代码可以看出：完成转换步骤中的（1）（2）从mm_struct中获取了PGD起始地址；又从线性地址的高10位作为PGD的offset；从而获得了PUD 的其实地址。

说明：从源代码可以看出，对于不同平台 以及64位平台，每级页表的偏移量定义都是不相同的，主要用PGD_SHIFT 控制。但是计算原理都一样。

PUD

#define pud_index(address) (((address) >> PUD_SHIFT) & (PTRS_PER_PUD-1))
#define pud_offset(pgd, address) ((pud_t *) pgd)

PMD

/*pgtable.h*/
#define pmd_index(address) (((address) >> PMD_SHIFT) & (PTRS_PER_PMD-1))
#define pmd_offset(pud, address) ((pmd_t *) pud + pmd_index(address))

PTE

/*pgtable.h*/
#define pte_index(address) (((address) >> PAGE_SHIFT) & (PTRS_PER_PTE-1))
#define pmd_deref(pmd) (pmd_val(pmd) & _SEGMENT_ENTRY_ORIGIN)
#define pte_offset(pmd, addr) ((pte_t *) pmd_deref(*(pmd)) + pte_index(addr))
#define pte_offset_kernel(pmd, address) pte_offset(pmd,address)

类型检查：

/*
 * These are used to make use of C type-checking..
 */
typedef struct { unsigned long	pte;	} pte_t;
typedef struct { unsigned long	ste[64];} pmd_t;
typedef struct { pmd_t		pue[1]; } pud_t;
typedef struct { pud_t		pge[1];	} pgd_t;
typedef struct { unsigned long	pgprot;	} pgprot_t;
typedef struct page *pgtable_t;

#define pte_val(x)	((x).pte)
#define pmd_val(x)	((x).ste[0])
#define pud_val(x)	((x).pue[0])
#define pgd_val(x)	((x).pge[0])

其实pte、pgd、pud、pmd都是unsigned Long类型，但是Linux为了实现更严格的类型检查。用作指针的时候用pgd_t * ，当取地址的时候用pgd_val(x)。

内核模块实现虚拟地址转换为物理地址代码：

/*get_physic_addr.c */ 

内核版本：Linux-2.6.35

#include<linux/kernel.h>
#include<linux/module.h>
#include<linux/init.h>
#include<linux/mm.h>
#include<linux/mm_types.h>
#include<asm/pgtable.h>
#include<linux/vmalloc.h>
#include<linux/sched.h>




static  unsigned long  vaddr_to_paddr(struct mm_struct *mm,unsigned long vaddr)
{
    pgd_t *pgd;
    pud_t *pud;
    pmd_t *pmd;
    pte_t *pte;


    unsigned long paddr=0;
    unsigned long page_addr=0;
    unsigned long page_offset=0;
//    struct mm_struct *mm=current->mm;


    pgd=pgd_offset(mm,vaddr);  /*获得addr对应的pgd的地址*/
    if(pgd_none(*pgd) || unlikely(pgd_bad(*pgd)))
            goto out; 


    pud=pud_offset(pgd,vaddr);
    if(pud_none(*pud) || unlikely(pud_bad(*pud)))
            goto out; 


    pmd=pmd_offset(pud,vaddr);
    if(pmd_none(*pmd) || unlikely(pmd_bad(*pmd)))
            goto out; 


    
    pte=pte_offset_kernel(pmd,vaddr);
    if(pte_none(*pte))
        goto out;
   
    page_addr=pte_val(*pte) & PAGE_MASK;
    page_offset= vaddr & ~PAGE_MASK;
    paddr=page_addr | page_offset;
    printk("page_addr=0x%lx,page_offset=0x%lx\n",page_addr,page_offset);
    printk("vaddr=%lx,paddr=%lx\n",vaddr,paddr);


out:
    return paddr;
}






static int __init get_physic_init(void)
{
    printk("<1>get_physic_addr Modules running.....\n");
    
    unsigned long vaddr=0;


    vaddr=(unsigned long)vmalloc(1000*sizeof(char));
    if(vaddr==0){
        printk("vmalloc failed...\n");
        return 0;
    }
    vaddr_to_paddr(current->mm,vaddr);


    vfree((void*)vaddr);
    return 0;
}


static void __exit get_physic_exit(void)
{
    printk("<1>get_phyisc_addr Modules exit\n");


}




module_init(get_physic_init);
module_exit(get_physic_exit);


MODULE_LICENSE("GPL");

/*Makefile*/

obj-m:=get_physic_addr.o


CURRENT_PATH=$(shell pwd)
LINUX_KERNEL_PATH=/usr/src/kernels/$(shell uname -r)

all:
        make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
        make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) m=$(CURRENT_PATH) clean

结果：

学习参考：http://edsionte.com/techblog/archives/3435