Linux0.11內核--記憶體管理之1.初始化

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Linux內核因為使用了記憶體分頁機制，所以相對來說好理解些。因為記憶體分頁就是為了方便管理記憶體。

說到記憶體分頁，最根部的要屬頁目錄表了，head.h中：

extern unsigned long pg_dir[1024];	// 記憶體頁目錄數組。每個目錄項為4 位元組。從物理地址0 開始。

然後再看head.s：

/*
* head.s 含有32 位啟動代碼。
* 註意!!! 32 位啟動代碼是從絕對地址0x00000000 開始的，這裡也同樣是頁目錄將存在的地方，
* 因此這裡的啟動代碼將被頁目錄覆蓋掉。
*/
.text
.globl _idt,_gdt,_pg_dir,_tmp_floppy_area
_pg_dir:							# 頁目錄將會存放在這裡。
...

頁目錄存放的地方是從絕對地址0開始的，接下來分配頁表：

/* Linus 將內核的記憶體頁表直接放在頁目錄之後，使用了4 個表來定址16 Mb 的物理記憶體。
* 如果你有多於16 Mb 的記憶體，就需要在這裡進行擴充修改。
*/
# 每個頁表長為4 Kb 位元組（1 頁記憶體頁面），而每個頁表項需要4 個位元組，因此一個頁表共可以存放
# 1024 個表項。如果一個頁表項定址4 Kb 的地址空間，則一個頁表就可以定址4 Mb 的物理記憶體。
# 頁表項的格式為：項的前0-11 位存放一些標誌，例如是否在記憶體中(P 位0)、讀寫許可(R/W 位1)、
# 普通用戶還是超級用戶使用(U/S 位2)、是否修改過(是否髒了)(D 位6)等；表項的位12-31 是
# 頁框地址，用於指出一頁記憶體的物理起始地址。
.org 0x1000				# 從偏移0x1000 處開始是第1 個頁表（偏移0 開始處將存放頁表目錄）。
pg0:

.org 0x2000
pg1:

.org 0x3000
pg2:

.org 0x4000
pg3:

...

分配了4個頁表空間，因為一個頁表項對應的是一個頁也就是4K，所以一個頁表就是4K*1024=4M，這裡有4個頁表所以就是16M。並且註意這裡是從.org 0x1000開始的，前面4K的空間是留給整個頁目錄的。

下麵是設置四個頁目錄項的屬性，因為只有4個頁表，所以相應的就是4個頁目錄項：

# 下麵4 句設置頁目錄表中的項，因為我們（內核）共有4 個頁表所以只需設置4 項。
# 頁目錄項的結構與頁表中項的結構一樣，4 個位元組為1 項。參見上面113 行下的說明。
# "$pg0+7"表示：0x00001007，是頁目錄表中的第1 項。
# 則第1 個頁表所在的地址 = 0x00001007 & 0xfffff000 = 0x1000；
# 第1 個頁表的屬性標誌 = 0x00001007 & 0x00000fff = 0x07，表示該頁存在、用戶可讀寫。
	movl $pg0+7,_pg_dir				/* set present bit/user r/w */
	movl $pg1+7,_pg_dir+4			/*  --------- " " --------- */
	movl $pg2+7,_pg_dir+8			/*  --------- " " --------- */
	movl $pg3+7,_pg_dir+12		/*  --------- " " --------- */

註意這裡+7的意思是，先看PDE 頁目錄項格式 可知，每個頁目錄項的0-11位是屬性，12-31位才是基址，7對應的二進位是111，也就是P、R/W、U/S位都為1.

好，現在頁目錄和4個頁表都分配好了。接下來進入初始化程式mem_init(main_memory_start, memory_end);在main.c和memory.c中：

static long memory_end = 0;	// 機器具有的物理記憶體（位元組數）。
static long buffer_memory_end = 0;	// 高速緩衝區末端地址。
static long main_memory_start = 0;	// 主記憶體（將用於分頁）開始的位置。

  memory_end = (1 << 20) + (EXT_MEM_K << 10);	// 記憶體大小=1Mb 位元組+擴展記憶體(k)*1024 位元組。
  memory_end &= 0xfffff000;	// 忽略不到4Kb（1 頁）的記憶體數。
  if (memory_end > 16 * 1024 * 1024)	// 如果記憶體超過16Mb，則按16Mb 計。
    memory_end = 16 * 1024 * 1024;
  if (memory_end > 12 * 1024 * 1024)	// 如果記憶體>12Mb，則設置緩衝區末端=4Mb
    buffer_memory_end = 4 * 1024 * 1024;
  else if (memory_end > 6 * 1024 * 1024)	// 否則如果記憶體>6Mb，則設置緩衝區末端=2Mb
    buffer_memory_end = 2 * 1024 * 1024;
  else
    buffer_memory_end = 1 * 1024 * 1024;	// 否則則設置緩衝區末端=1Mb
  main_memory_start = buffer_memory_end;	// 主記憶體起始位置=緩衝區末端；

  // 如果定義了記憶體虛擬盤，則初始化虛擬盤。此時主記憶體將減少。參見kernel/blk_drv/ramdisk.c。
#ifdef RAMDISK			// 如果定義了記憶體虛擬盤，則主記憶體將減少。
  main_memory_start += rd_init (main_memory_start, RAMDISK * 1024);
#endif
  
  mem_init (main_memory_start, memory_end);

這裡結合下圖參考：

如果定義了記憶體虛擬盤，主記憶體區開始位置main_memory_start就從虛擬盤末端開始，否則就從高速緩衝區末端開始；而主記憶體區結尾memory_end則為16M。

/* 下麵定義若需要改動，則需要與head.s 等文件中的相關信息一起改變 */
// linux 0.11 內核預設支持的最大記憶體容量是16M，可以修改這些定義以適合更多的記憶體。
#define LOW_MEM 0x100000											// 記憶體低端（1MB）。
#define PAGING_MEMORY (15*1024*1024)				// 分頁記憶體15MB。主記憶體區最多15M。
#define PAGING_PAGES (PAGING_MEMORY>>12)	// 分頁後的物理記憶體頁數。相當於除以4096
#define MAP_NR(addr) (((addr)-LOW_MEM)>>12)	// 指定記憶體地址映射為頁號。
#define USED 100																	// 頁面被占用標誌，參見405 行。

static long HIGH_MEMORY = 0;	// 全局變數，存放實際物理記憶體最高端地址。

// 記憶體映射位元組圖(1 位元組代表1 頁記憶體)，每個頁面對應的位元組用於標誌頁面當前被引用（占用）次數。
static unsigned char mem_map[PAGING_PAGES] = { 0, };


//// 物理記憶體初始化。
// 參數：start_mem - 可用作分頁處理的物理記憶體起始位置（已去除RAMDISK 所占記憶體空間等）。
// end_mem - 實際物理記憶體最大地址。
// 在該版的linux 內核中，最多能使用16Mb 的記憶體，大於16Mb 的記憶體將不於考慮，棄置不用。
// 0 - 1Mb 記憶體空間用於內核系統（其實是0-640Kb）。
void
mem_init (long start_mem, long end_mem)
{
  int i;

  HIGH_MEMORY = end_mem;				// 設置記憶體最高端。
  for (i = 0; i < PAGING_PAGES; i++)		// 首先置所有頁面為已占用(USED=100)狀態，
    mem_map[i] = USED;								// 即將頁面映射數組全置成USED。
  i = MAP_NR (start_mem);						// 然後計算可使用起始記憶體的頁面號。
  end_mem -= start_mem;							// 再計算可分頁處理的記憶體塊大小。
  end_mem >>= 12;										// 從而計算出可用於分頁處理的頁面數。
  while (end_mem-- > 0)							// 最後將這些可用頁面對應的頁面映射數組清零。
    mem_map[i++] = 0;
}

首先註意PAGING_MEMORY，因為1M以下的記憶體空間是內核所用，不參與分頁，所以主記憶體大小最多為15M。所以PAGING_PAGES就是主記憶體大小除以4096（一頁就是4096位元組）就是記憶體頁面總數。

所以mem_map的作用就是記憶體頁面映射。

這裡註意一下MAP_NR(start_mem)這個巨集，用主記憶體區開始地址減去不參與分頁的1M空間，得到從可用於分頁的記憶體地址開始的容量，再除以4096（一頁就是4096位元組）就可以得到頁號。

然後計算主記憶體區的大小，並把mem_map中從主記憶體區start_mem開始的頁號置為0.

到這裡為止，記憶體管理的初始化就算結束了！