万字，整理了Linux内存管理所有知识点

Linux内存管理之CPU访问内存的过程

1. TLB：MMU工作的过程就是查询页表的过程。如果把页表放在内存中查询的时候开销太大，因此为了提高查找效率，专门用一小片访问更快的区域存放地址转换条目。（当页表内容有变化的时候，需要清除TLB，以防止地址映射出错。）
2. Caches：cpu和内存之间的缓存机制，用于提高访问速率，armv8架构的话上图的caches其实是L2 Cache，这里就不做进一步解释了。

虚拟地址转换为物理地址的本质

1. 从CR3寄存器中读取页目录所在物理页面的基址(即所谓的页目录基址)，从线性地址的第一部分获取页目录项的索引，两者相加得到页目录项的物理地址。
2. 第一次读取内存得到pgd_t结构的目录项，从中取出物理页基址取出，即页上级页目录的物理基地址。
3. 从线性地址的第二部分中取出页上级目录项的索引，与页上级目录基地址相加得到页上级目录项的物理地址。
4. 第二次读取内存得到pud_t结构的目录项，从中取出页中间目录的物理基地址。
5. 从线性地址的第三部分中取出页中间目录项的索引，与页中间目录基址相加得到页中间目录项的物理地址。
6. 第三次读取内存得到pmd_t结构的目录项，从中取出页表的物理基地址。
7. 从线性地址的第四部分中取出页表项的索引，与页表基址相加得到页表项的物理地址。
8. 第四次读取内存得到pte_t结构的目录项，从中取出物理页的基地址。
9. 从线性地址的第五部分中取出物理页内偏移量，与物理页基址相加得到最终的物理地址。
10. 第五次读取内存得到最终要访问的数据。

Linux内存初始化

创建启动页表：

• identity map：是指把idmap_text区域的物理地址映射到相等的虚拟地址上，这种映射完成后，其虚拟地址等于物理地址。idmap_text区域都是一些打开MMU相关的代码。
• kernel image map：将kernel运行需要的地址（kernel txt、rodata、data、bss等等）进行映射。

arch/arm64/kernel/head.S:
ENTRY(stext)
bl      preserve_boot_args
bl      el2_setup                       // Drop to EL1, w0=cpu_boot_mode
adrp    x23, __PHYS_OFFSET
and     x23, x23, MIN_KIMG_ALIGN - 1    // KASLR offset, defaults to 0
bl      set_cpu_boot_mode_flag
bl      __create_page_tables
/*
* The following calls CPU setup code, see arch/arm64/mm/proc.S for
* details.
* On return, the CPU will be ready for the MMU to be turned on and
* the TCR will have been set.
*/
bl      __cpu_setup                     // initialise processor
b       __primary_switch
ENDPROC(stext)
__create_page_tables主要执行的就是identity map和kernel image map：
__create_page_tables:
......
create_pgd_entry x0, x3, x5, x6
mov     x5, x3                          // __pa(__idmap_text_start)
adr_l   x6, __idmap_text_end            // __pa(__idmap_text_end)
create_block_map x0, x7, x3, x5, x6

/*
* Map the kernel image (starting with PHYS_OFFSET).
*/
adrp    x0, swapper_pg_dir
mov_q   x5, KIMAGE_VADDR   TEXT_OFFSET  // compile time __va(_text)
add     x5, x5, x23                     // add KASLR displacement
create_pgd_entry x0, x5, x3, x6
adrp    x6, _end                        // runtime __pa(_end)
adrp    x3, _text                       // runtime __pa(_text)
sub     x6, x6, x3                      // _end - _text
add     x6, x6, x5                      // runtime __va(_end)
create_block_map x0, x7, x3, x5, x6
......
其中调用create_pgd_entry进行PGD及所有中间level(PUD, PMD)页表的创建，调用create_block_map进行PTE页表的映射。关于四级页表的关系如下图所示，这里就不进一步解释了。

1. 物理内存进系统前
2. 用memblock模块来对内存进行管理
3. 页表映射
4. zone初始化

Linux是如何组织物理内存的？

• node 目前计算机系统有两种体系结构：

1. 非一致性内存访问 NUMA（Non-Uniform Memory Access）意思是内存被划分为各个node，访问一个node花费的时间取决于CPU离这个node的距离。每一个cpu内部有一个本地的node，访问本地node时间比访问其他node的速度快
2. 一致性内存访问 UMA（Uniform Memory Access）也可以称为SMP（Symmetric Multi-Process）对称多处理器。意思是所有的处理器访问内存花费的时间是一样的。也可以理解整个内存只有一个node。

• zone

• page

• page frame

• page frame num(pfn)

• pfn和page的关系

Linux分区页框分配器

• 如果要求从DMA区中获取，就只能从ZONE_DMA区中获取。
• 如果没有规定从哪个区获取，就按照顺序从 ZONE_NORMAL -> ZONE_DMA 获取。
• 如果规定从HIGHMEM区获取，就按照顺序从 ZONE_HIGHMEM -> ZONE_NORMAL -> ZONE_DMA 获取。