Linux内存管理单元MMU技术总结

技术洞察TIC

2022-09-02 539 阅读2分钟

1 参考文献

宋宝华： CPU是如何访问到内存的？--MMU最基本原理
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2OTc0ODAzMw==&mid=2247501995&idx=1&sn=902ee4c6515aab8a32b486f73ea8984c&source=41#wechat_redirect

图解MMU
https://zhuanlan.zhihu.com/p/487386274

2 MMU技术总结

2.1 核心概念

MMU叫内存管理单元，现在是处理器/核中的一个硬件单元，通常每个核有一个MMU
CPU发出的地址是虚拟地址，MMU通过页表技术，把虚拟地址转换为物理地址，再去访问物理内存条。
虚拟地址到物理地址的转换
MMU产生的原因：为了解决 20M程序能在4M内存上跑起来

2.2 一级页表

如果采用4KB的page大小，cpu发出的虚拟地址包含12bit的页内偏移和20bit的页表VPN
2^20=1M
2^12=4K
页表每一行表示4K空间，总共1M行，恰好是4K*1M=4GB，所以页表能表示4G空间的寻址
当CPU访问虚拟地址4KB的时候，MMU会去查上面页表的第1行(4KB/4KB=1)，发现第1行命中
一级页表因为一行是32bit, 乘以总行数1M行，因此一级页表大小空间总占用为32bit*1M=4MB。因此4G空间的寻址Linux就需要4M的存储
页表中的每一条叫做页表条目PTE（page table entry），其大小为4个字节

2.3 页表条目PTE（page table entry）

任何一个虚拟地址，都可以用地址的高20位(2^20=1M), 再加上页内4K偏移寻址，组合起来就是4G空间
以这张页表为例，当CPU发出的虚拟地址中页表Index是3时，MMU会去查页表的第3行，发现第3行没有命中，MMU会给CPU发出page fault，CPU自动跳到fault的代码去处理fault。当CPU发出的虚拟地址中页表Index是2时，MMU会去查页表的第2行，发现第2行命中了物理地址1124KB，MMU会访问内存条1124KB这个物理地址。
操作系统中每个进程都有自己的页表，当CPU在运行某个进程时，MMU的页表地址寄存器中会放置这个进程页表的物理地址，根据这个地址找到此进程的页表，然后根据此表进行地址转换。
上面我们已经介绍了每个页表的大小是4MB，覆盖了整个0-4GB的虚拟地址空间。每个进程都占用4M的物理地址，而且这个空间还必须是连续的。那整个操作系统的所有进程光页表就要消耗很大的物理内存。

3 2级页表

对于32位地址空间，会将VPN中的前10位用于索引页表目录（一级页表），紧接下来的10位用于索引所选的页表（二级页表）