11.2 Linux内存管理
对于包含MMU的处理器来说，Linux系统提供复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的内存达到4GB。
在Linux系统中，进程的4GB内存空间被分为两个部分——用户空间与内核空间。用户空间的地址一般分布为0~3GB，剩下的3~4GB为内核空间，如图11.5所示。用户进程通常只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问内核空间的虚拟地址。用户进程只有通过系统调用等方式才可以访问到内核空间。
图11.5 用户空间与内核空间
每个进程的用户空间都是完全独立、互不相干的，用户进程各自有不同的页表。而内核空间是由内核负责映射，不会跟着进程改变，是固定的。内核空间的虚拟地址到物理地址映射是被所有进程共享的，内核的虚拟空间独立于其他程序。
Linux中1GB的内核地址空间又被划分为物理内存映射区、虚拟内存分配区、高端内存映射区、专用页面映射区和系统保留映射区这几个区域，如图11.6所示。
图11.6 32位x86系统Linux内核的地址空间
对x86系统而言，一般情况下，物理内存映射区最大长度为896MB，系统的物理内存被顺序映射在内核空间的物理内存映射区中。当系统物理内存大于896MB时，超过物理内存映射区的那部分内存称为高端内存，内核在存取高端内存时必须将它们映射到高端内存映射区。
Linux保留内核空间最顶部FIXADDR_TOP~4GB的区域作为保留区。
最顶端的保留区以下的一段区域为专用页面映射区（FIXADDR_START~FIXADDR_TOP），它的总尺寸和每一页的用途由fixed_address枚举结构在编译时预定义，用__fix_to_virt（index）可获取专用区内预定义页面的逻辑地址。其开始地址和结束地址宏定义如下：
#define FIXADDR_START (FIXADDR_TOP - _ _FIXADDR_SIZE)
#define FIXADDR_TOP ((unsigned long)_ _FIXADDR_TOP)
#define _ _FIXADDR_TOP 0xfffff000
如果系统配置了高端内存，则位于专用页面映射区之下的就是一段高端内存映射区，其起始地址为PKMAP_BASE，定义如下：
#define PKMAP_BASE ( (FIXADDR_BOOT_START - PAGE_SIZE*(LAST_PKMAP + 1)) & PMD_MASK )
所涉及的宏定义如下：
#define FIXADDR_BOOT_START (FIXADDR_TOP - _ _FIXADDR_BOOT_SIZE)
#define LAST_PKMAP PTRS_PER_PTE
#define PTRS_PER_PTE 512
#define PMD_MASK (~(PMD_SIZE-1))
# define PMD_SIZE (1UL << PMD_SHIFT)
#define PMD_SHIFT 21
在物理内存映射区和高端内存映射区之间为虚拟内存分配器区（VMALLOC_START~VMALLOC_END），用于
vmalloc（）函数，它的前部与物理内存映射区有一个隔离带，后部与高端内存映射区也有一个隔离带，vmalloc区域定义如下：
#define VMALLOC_OFFSET (8*1024*1024)
#define VMALLOC_START (((unsigned long) high_memory +
vmalloc_earlyreserve + 2*VMALLOC_OFFSET-1) & ~(VMALLOC_OFFSET-1))
#ifdef CONFIG_HIGHMEM /* 支持高端内存 */
#define VMALLOC_END (PKMAP_BASE-2*PAGE_SIZE)
#else /* 不支持高端内存 */
#define VMALLOC_END (FIXADDR_START-2*PAGE_SIZE)
#endif
当系统物理内存超过4GB时，必须使用CPU的扩展分页（物理地址扩展PAE）模式所提供的64位页目录项才能存取到4GB以上的物理内存，这需要CPU的支持。
由此可见，对于32位的x86而言，在3~4GB之间的内核空间中，从低地址到高地址依次为：物理内存映射区→隔离带→vmalloc虚拟内存分配器区→隔离带→高端内存映射区→专用页面映射区→保留区。
直接进行映射的896MB物理内存其实又分为两个区域，在低于16MB的区域，ISA设备可以做DMA，所以该区域为DMA区域；16MB~896MB之间的为常规区域。高于896MB的就称为高端内存区域。
32位ARM Linux的内核空间地址映射（Documentation/arm/memory.txt）：
0xffff0000~0xffff0fff是“CPU vector page”，即向量表的地址。
0xffc00000~0xffefffff是DMA内存映射区域，dma_alloc_xxx族函数把DMA缓冲区映射在这一段，VMALLOC_START~VMALLOC_END-1是vmalloc和ioremap区域，PAGE_OFFSET~high_memory-1是DMA和正常区域的映射区域，MODULES_VADDR~MODULES_END-1是内核模块区域，PKMAP_BASE~PAGE_OFFSET-1是高端内存映射区。假设把PAGE_OFFSET定义为3GB，Linux内核模块位于3GB-16MB~3GB-2MB，高端内存映射区则位于3GB-2MB~3GB。
图11.7给出32位ARM系统Linux内核地址空间中的内核模块区域、高端内存映射区、vmalloc、向量表区域等。假定编译内核的时候选择的是VMSPLIT_3G（3G/1G user/kernel split）。
图11.7 32位ARM系统中Linux内核的地址空间
ARM系统的Linux之所以把内核模块安置在3GB附近的16MB范围内，主要是为了实现内核模块和内核本身的代码段之间的短跳转。
对于ARM SoC而言，如果芯片内部有的硬件组件的DMA引擎访问内存时有地址空间限制，比如假设UART控制器的DMA只能访问32MB，那么这个低32MB就是DMA区域；32MB到高端内存地址的这段称为常规区域；再之上的称为高端内存区域。
给出几种DMA、常规、高端内存区域可能的分布。
第一种情况，有硬件的DMA引擎不能访问全部地址，且内存较大而无法全部在内核空间虚拟地址映射下，存放有3个区域（DMA、常规、高端内存区域）。
第二种情况，没有硬件的DMA引擎不能访问全部地址，且内存较大而无法全部在内核空间虚拟地址映射下，则常规区域实际退化为0（DMA、高端内存区域）。
第三种情况，有硬件的DMA引擎不能访问全部地址，且内存较小可以全部在内核空间虚拟地址映射下，则高端内存区域实际退化为0（DMA、常规）。
第四种情况，没有硬件的DMA引擎不能访问全部地址，且内存较小可以全部在内核空间虚拟地址映射下，则常规和高端内存区域实际退化为0（DMA）。
如图11.9所示，DMA、常规、高端内存这3个区域都采用buddy算法进行管理，把空闲的页面以2的n次方为单位进行管理，因此Linux最底层的内存申请都是以2的n次方为单位的。Buddy算法最主要的优点是避免了外部碎片，任何时候区域里的空闲内存都能以2的n次方进行拆分或合并。
图11.9 buddy算法
Linux系统的/proc/buddyinfo会显示每个区域里面2n的空闲页面分布情况，比如：
备注信息：linux系统中buddy分配器会提供(2^N)*PAGE_SIZE的内存块，N为0，1，2...10（最大为MAX_ORDOR - 1 = 10），PAGE_SIZE：在32位机中一般为4096。
$cat /proc/buddyinfo
Node 0, zone DMA 8 5 2 7 8 3 0 0 0 1 0
Node 0, zone Normal 2002 1252 524 187 183 71 7 0 0 1 1
上述结果显示高端内存区域为0，DMA区域里1页空闲的内存还有8个，连续2页空闲的有5个，连续4页空闲的有2个，......, 连续16页空闲的有8个，......,以此类推。
常规区域里面1页空闲的还有2002个，连续2页空闲的有1252个，以此类推。
对于内核物理内存映射区的虚拟内存（即从DMA和常规区域映射过来的），使用virt_to_phys（）可以实现内核虚拟地址转化为物理地址。与之对应的函数为phys_to_virt（），它将物理地址转化为内核虚拟地址。
注意：上述virt_to_phys（）和phys_to_virt（）方法仅适用于DMA和常规区域，高端内存的虚拟地址
与物理地址之间不存在如此简单的换算关系。