Linux在IA-32体系结构下的地址映射

1.概览

2.逻辑地址到线性地址

逻辑地址到线性地址的映射在IA-32体系结构中又被称为段式映射。如上图所示，段式映射我们首先需要获取逻辑地址和段选择符，段选择符用于获取GDT中段的基地址，将逻辑地址作为偏移和段基地址相加获得线性地址。如图为详细的逻辑地址到线性地址的映射过程：

• 根据指令的性质来确定使用哪一个段寄存器；
• 根据段寄存器内容，找到相应的地址段描述符结构，段描述符结构一般放在GDT,LDT,TR或IDT中，描述表的起始地址保存在GDTR,LDTR,TR和IDTR寄存器中；
• 从地址描述结构中找到段的基地址；
• 将指令发出的地址作为位移，与段描述符中规定的段长度比较，看是否越界；
• 根据指令的性质和段描述符中的权限来看权限是否合适；
• 将指令中发出的地址作为位移，与基地址相加得到线性地址；

段选择符在段寄存器中，例如CS,DS。段描述符在内存管理寄存器中，如GDTR,LDTR,IDTR和TR。段选择符内容如下

段描述符内容如下：

在C语言中我们访问一个局部变量的地址将其打印出来，此时这个地址即为逻辑地址，那么这个地址到线性地址的转换过程为什么样的。

#include<stdio.h>

int main()
{
    unsigned long x = 0z01234567;
    printf("the x address is 0x%x
", &x);
    return 0;
}

 

上面的程序打印出了逻辑地址，按照逻辑地址到线性地址的转换方式，我们此时要从段寄存器中获取段选择符。我们知道局部变量是存放在桟区的，所以我们可以从堆栈寄存器SS获取段选择符。内核创建一个线程时会先将段寄存器设置好，IA-32架构的实现代码位于arch/x86/kernel/process_32.c:200行处

void
start_thread(struct pt_regs *regs, unsigned long new_ip, unsigned long new_sp)
{
    set_user_gs(regs, 0);
    regs->fs        = 0;
    regs->ds        = __USER_DS;
    regs->es        = __USER_DS;
    regs->ss        = __USER_DS;
    regs->cs        = __USER_CS;
    regs->ip        = new_ip;
    regs->sp        = new_sp;
    regs->flags        = X86_EFLAGS_IF;
    /*
     * force it to the iret return path by making it look as if there was
     * some work pending.
     */
    set_thread_flag(TIF_NOTIFY_RESUME);
}

从代码中我们可以看到，内核只使用了两个段，分别为代码段(CS)和数据段(DS)，并且每个进程的CS和DS都相同，只有EIP和ESP不同。此时从SS段寄存器中获取段选择符，__USER_DS的值定义在arch/x86/include/asm/segment.h中：

#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS 15
#define GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS 14

#define __USER_DS    (GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS*8+3)
#define __USER_CS    (GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS*8+3)

此时SS的二进制为：0000 0000 0111 1011。通过上面的段选择符结构图，高13bit为index，此时index值为15，第3bit为0，表示使用GDT全局描述表。此时我们就能够使用GDT表中索引为15处的地址为段基地址加上偏移地址得到线性地址了。GDT表的位置上面已经说了是由GDTR寄存器存储的，在kernel中GDTR定义在aarch/x86/kernel/cpu/common.c中 

DEFINE_PER_CPU_PAGE_ALIGNED(struct gdt_page, gdt_page) = { .gdt = {
#ifdef CONFIG_X86_64
    /*
     * We need valid kernel segments for data and code in long mode too
     * IRET will check the segment types  kkeil 2000/10/28
     * Also sysret mandates a special GDT layout
     *
     * TLS descriptors are currently at a different place compared to i386.
     * Hopefully nobody expects them at a fixed place (Wine?)
     */
    [GDT_ENTRY_KERNEL32_CS]        = GDT_ENTRY_INIT(0xc09b, 0, 0xfffff),
    [GDT_ENTRY_KERNEL_CS]        = GDT_ENTRY_INIT(0xa09b, 0, 0xfffff),
    [GDT_ENTRY_KERNEL_DS]        = GDT_ENTRY_INIT(0xc093, 0, 0xfffff),
    [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER32_CS]    = GDT_ENTRY_INIT(0xc0fb, 0, 0xfffff),
    [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS]    = GDT_ENTRY_INIT(0xc0f3, 0, 0xfffff),
    [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS]    = GDT_ENTRY_INIT(0xa0fb, 0, 0xfffff),
#else
    [GDT_ENTRY_KERNEL_CS]        = GDT_ENTRY_INIT(0xc09a, 0, 0xfffff),
    [GDT_ENTRY_KERNEL_DS]        = GDT_ENTRY_INIT(0xc092, 0, 0xfffff),
    [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS]    = GDT_ENTRY_INIT(0xc0fa, 0, 0xfffff),
    [GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS]    = GDT_ENTRY_INIT(0xc0f2, 0, 0xfffff),
    /*
     * Segments used for calling PnP BIOS have byte granularity.
     * They code segments and data segments have fixed 64k limits,
     * the transfer segment sizes are set at run time.
     */
    /* 32-bit code */
    [GDT_ENTRY_PNPBIOS_CS32]    = GDT_ENTRY_INIT(0x409a, 0, 0xffff),
    /* 16-bit code */
    [GDT_ENTRY_PNPBIOS_CS16]    = GDT_ENTRY_INIT(0x009a, 0, 0xffff),
    /* 16-bit data */
    [GDT_ENTRY_PNPBIOS_DS]        = GDT_ENTRY_INIT(0x0092, 0, 0xffff),
    /* 16-bit data */
    [GDT_ENTRY_PNPBIOS_TS1]        = GDT_ENTRY_INIT(0x0092, 0, 0),
    /* 16-bit data */
    [GDT_ENTRY_PNPBIOS_TS2]        = GDT_ENTRY_INIT(0x0092, 0, 0),
    /*
     * The APM segments have byte granularity and their bases
     * are set at run time.  All have 64k limits.
     */
    /* 32-bit code */
    [GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE]    = GDT_ENTRY_INIT(0x409a, 0, 0xffff),
    /* 16-bit code */
    [GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE+1]    = GDT_ENTRY_INIT(0x009a, 0, 0xffff),
    /* data */
    [GDT_ENTRY_APMBIOS_BASE+2]    = GDT_ENTRY_INIT(0x4092, 0, 0xffff),

    [GDT_ENTRY_ESPFIX_SS]        = GDT_ENTRY_INIT(0xc092, 0, 0xfffff),
    [GDT_ENTRY_PERCPU]        = GDT_ENTRY_INIT(0xc092, 0, 0xfffff),
    GDT_STACK_CANARY_INIT
#endif
} };

GDT_ENTRY_INIT定义在arch/x86/kernel/cpu/desc_defs.h中

#define GDT_ENTRY_INIT(flags, base, limit) { { { 
        .a = ((limit) & 0xffff) | (((base) & 0xffff) << 16), 
        .b = (((base) & 0xff0000) >> 16) | (((flags) & 0xf0ff) << 8) | 
            ((limit) & 0xf0000) | ((base) & 0xff000000), 
    } } }

当GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS为15时，在GDT表中对应的地址为GDT_ENTRY_INIT(0xc0f2, 0, 0xfffff)，此时基地址base为0，segment limit为0xfffff，线性地址等于GDT中的基地址加上逻辑地址，基地址为0，所以在linux kernel中线性地址和逻辑地址是相等的。

3.线性地址到物理地址 待补充

将线性地址最终映射到物理地址的过程称为页式映射。从线性地址到物理地址的映射过程为：

• 从CR3寄存器中获取页面目录的基地址；
• 以线性地址dir位段作为下标，在目录中取得相应页面表的基地址；
• 以线性地址中的page位段作为下标，在所得到的页面目录中获取相应的页面描述项；
• 将页面描述项中给出的页面基地址与线性地址中的offset位段相加得到物理地址；

线性地址到物理地址的映射过程如下图所示：

每个进程都有自己的地址空间，不同的进程就有不同的CR3寄存器，CR3寄存器的值一般保存在进程控制块中，例如task_struct结构体中，32bit时CR3寄存器页面项如图：

从上面描述的过程中可知，我们首先要获得CR3寄存器的值，内核在创建进程时会分配页面目录，页面目录地址保存在task_struct结构体中，task_struct结构体中有一个mm_struct结构体中有一个pgd字段用来存储CR3寄存器的值，此段代码位于kernel/fork.c中

static inline int mm_alloc_pgd(struct mm_struct *mm)
{
    mm->pgd = pgd_alloc(mm);
    if (unlikely(!mm->pgd))
        return -ENOMEM;
    return 0;
}

在进程切换的过程中，会将进程页面目录的基地址加载到CR3寄存器，代码位于arch/x86/include/asm/mmu_context.h中

static inline void switch_mm(struct mm_struct *prev, struct mm_struct *next,
                 struct task_struct *tsk)
{
    unsigned cpu = smp_processor_id();

    if (likely(prev != next)) {
#ifdef CONFIG_SMP
        this_cpu_write(cpu_tlbstate.state, TLBSTATE_OK);
        this_cpu_write(cpu_tlbstate.active_mm, next);
#endif
        cpumask_set_cpu(cpu, mm_cpumask(next));

        /* Re-load page tables */
        load_cr3(next->pgd);
        trace_tlb_flush(TLB_FLUSH_ON_TASK_SWITCH, TLB_FLUSH_ALL);

        /* Stop flush ipis for the previous mm */
        cpumask_clear_cpu(cpu, mm_cpumask(prev));

        /* Load the LDT, if the LDT is different: */
        if (unlikely(prev->context.ldt != next->context.ldt))
            load_LDT_nolock(&next->context);
    }
#ifdef CONFIG_SMP
      else {
        this_cpu_write(cpu_tlbstate.state, TLBSTATE_OK);
        BUG_ON(this_cpu_read(cpu_tlbstate.active_mm) != next);

        if (!cpumask_test_cpu(cpu, mm_cpumask(next))) {
            /*
             * On established mms, the mm_cpumask is only changed
             * from irq context, from ptep_clear_flush() while in
             * lazy tlb mode, and here. Irqs are blocked during
             * schedule, protecting us from simultaneous changes.
             */
            cpumask_set_cpu(cpu, mm_cpumask(next));
            /*
             * We were in lazy tlb mode and leave_mm disabled
             * tlb flush IPI delivery. We must reload CR3
             * to make sure to use no freed page tables.
             */
            load_cr3(next->pgd);
            trace_tlb_flush(TLB_FLUSH_ON_TASK_SWITCH, TLB_FLUSH_ALL);
            load_LDT_nolock(&next->context);
        }
    }
#endif
}