Linux页表管理和MMU答案

【问题标题】：Linux Page Table Management and MMULinux页表管理和MMU
【发布时间】：2014-11-18 21:57:29
【问题描述】：

我有一个关于 linux 内核和 MMU 之间关系的问题。我现在明白了 linux 内核管理虚拟内存地址和物理内存地址之间的页表。同时x86架构中还有MMU，管理虚拟内存地址和物理内存地址之间的页表。如果 MMU 出现在 CPU 附近，内核还需要处理页表吗？

这个问题可能很傻，但另一个问题是，如果MMU负责内存空间，谁来管理高内存和低内存？我相信内核将从 MMU 接收到虚拟内存的大小（32 位为 4GB），然后内核将在虚拟地址中区分用户空间和内核空间。我对么？还是完全错误？

提前非常感谢！

【问题讨论】：

Linux 可能在没有 MMU 的硬件上运行，所以内核必须知道如何进行翻译，但在 x86 上，我相信它只是使用 MMU。
我赞同 Gennadi 的评论。在 x86 架构上，MMU 负责将虚拟地址转换为物理地址，但内核仍会跟踪哪些页面属于内核以及哪些页面属于用户进程。我相信this 可能有助于阐明事情的运作方式。

标签： linux kernel computer-architecture mmu

【解决方案1】：

OS 和 MMU 页面管理职责是同一机制的两个方面，位于架构和微架构之间的边界。

第一面定义了硬件和在其上运行的软件（在本例中为操作系统）之间的“契约”——如果你想使用虚拟内存，你需要构建和维护一个页表，如合同。另一方面，MMU 端是一个硬件单元，负责执行地址转换的硬件任务。这可能包括也可能不包括硬件优化，这些通常是隐藏的，并且可以以各种方式实现以在后台运行，只要它维护合同的硬件方面。

理论上，MMU 可能会决定为每个翻译（页面遍历）发出一组内存访问，以实现所需的行为。然而，由于它是一个性能关键元素，大多数 MMU 通过在 TLB 中缓存先前页面遍历的结果来优化这一点，就像缓存存储先前访问的结果一样（实际上，在某些实现中，缓存本身也可能存储一些访问页表，因为它通常驻留在可缓存内存中）。 MMU 可以管理多个 TLB（大多数实现将数据和代码页的 TLB 分开，有些具有 2 级 TLB），并从那里提供翻译，除了更快的访问时间之外，您不会注意到这一点。

还应该注意的是，硬件必须防范许多可能损害此类 TLB“缓存”先前翻译的一致性的极端情况，例如使用期间的页面别名或重新映射。在某些机器上，更恶劣的情况甚至需要称为 TLB 击落的大量刷新流。

【讨论】：

更具体地解决关于内核和用户空间分离的问题似乎是合适的。（我认为 Linux 为内核空间使用（全局）负地址，而对于 x86，这需要分层页表顶部的一页（每个地址空间），其上半部分（负）映射内核子表。我认为 ARM 支持单独的全局页表，大概是 Linux 内核使用的。Linux 不使用 Power 的散列页表作为主表；较新的目录条目缓存系统确实适合 Linux 的主表格式。