在之前的文章中《CPU是如何訪問內(nèi)存的?》，我們知道了CPU是如何訪問內(nèi)存的，本篇文章我們來講下虛擬地址空間和物理地址空間的映射。

通常32位Linux內(nèi)核地址空間劃分0~3G為用戶空間，3~4G為內(nèi)核空間。注意這里是32位內(nèi)核地址空間劃分，64位內(nèi)核地址空間劃分是不同的。下面以X86為例。

物理地址空間布局

• 物理地址空間的頂部以下一段空間，被PCI設(shè)備的I/O內(nèi)存映射占據(jù)，它們的大小和布局由PCI規(guī)范所決定。
• 640K~1M這段地址空間被BIOS和VGA適配器所占據(jù)。

Linux系統(tǒng)在初始化時，會根據(jù)實際的物理內(nèi)存的大小，為每個物理頁面創(chuàng)建一個page對象，所有的page對象構(gòu)成一個mem_map數(shù)組。

進(jìn)一步，針對不同的用途，Linux內(nèi)核將所有的物理頁面劃分到3類內(nèi)存管理區(qū)中，如圖，分別為：

• ZONE_DMA：范圍是0~16M，該區(qū)域的物理頁面專門供I/O設(shè)備的DMA使用。之所以需要單獨管理DMA的物理頁面，是因為DMA使用物理地址訪問內(nèi)存，不經(jīng)過MMU，并且需要連續(xù)的緩沖區(qū)，所以為了能夠提供物理上連續(xù)的緩沖區(qū)，必須從物理地址空間專門劃分一段區(qū)域用于DMA。
• ZONE_NORMAL：范圍是16M~896M，該區(qū)域的物理頁面是內(nèi)核能夠直接使用的。
• ZONE_HIGHMEM：圍是896M~結(jié)束，該區(qū)域即為高端內(nèi)存，內(nèi)核不能直接使用。

linux虛擬地址內(nèi)核空間分布

在kernel image下面有16M的內(nèi)核空間用于DMA操作。位于內(nèi)核空間高端的128M地址主要由3部分組成，分別為vmalloc area，持久化內(nèi)核映射區(qū)，臨時內(nèi)核映射區(qū)。

由于ZONE_NORMAL和內(nèi)核線性空間存在直接映射關(guān)系，所以內(nèi)核會將頻繁使用的數(shù)據(jù)如kernel代碼、GDT、IDT、PGD、mem_map數(shù)組等放在ZONE_NORMAL里。而將用戶數(shù)據(jù)、頁表(PT)等不常用數(shù)據(jù)放在ZONE_ HIGHMEM里，只在要訪問這些數(shù)據(jù)時才建立映射關(guān)系(kmap())。比如，當(dāng)內(nèi)核要訪問I/O設(shè)備存儲空間時，就使用ioremap()將位于物理地址高端的mmio區(qū)內(nèi)存映射到內(nèi)核空間的vmalloc area中，在使用完之后便斷開映射關(guān)系。

linux虛擬地址用戶空間分布

用戶進(jìn)程的代碼區(qū)一般從虛擬地址空間的0x08048000開始，這是為了便于檢查空指針。代碼區(qū)之上便是數(shù)據(jù)區(qū)，未初始化數(shù)據(jù)區(qū)，堆區(qū)，棧區(qū)，以及參數(shù)、全局環(huán)境變量。

linux虛擬地址與物理地址映射的關(guān)系

Linux將4G的線性地址空間分為2部分，0~3G為user space，3G~4G為kernel space。

由于開啟了分頁機(jī)制，內(nèi)核想要訪問物理地址空間的話，必須先建立映射關(guān)系，然后通過虛擬地址來訪問。為了能夠訪問所有的物理地址空間，就要將全部物理地址空間映射到1G的內(nèi)核線性空間中，這顯然不可能。于是，內(nèi)核將0~896M的物理地址空間一對一映射到自己的線性地址空間中，這樣它便可以隨時訪問ZONE_DMA和ZONE_NORMAL里的物理頁面；此時內(nèi)核剩下的128M線性地址空間不足以完全映射所有的ZONE_HIGHMEM，Linux采取了動態(tài)映射的方法，即按需的將ZONE_HIGHMEM里的物理頁面映射到kernel space的***128M線性地址空間里，使用完之后釋放映射關(guān)系，以供其它物理頁面映射。雖然這樣存在效率的問題，但是內(nèi)核畢竟可以正常的訪問所有的物理地址空間了。