Linux 内核虚拟地址到物理地址转换讨论

本文主要是介绍Linux 内核虚拟地址到物理地址转换讨论，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

首先我们基于平坦型物理内存，单个node，下面是基于64位ARMv8架构得到，其他架构也有类似结论：
首先我们知道在我们成功编译好kernel后会生成一个system.map文件，其给出了内核整个虚拟地址空间情况，比如：
ARM64:
整个内核空间起始地址：
ffffffc000080000 T _text
代码段起始地址：
ffffffc000080160 T stext
异常向量表地址：
ffffffc000083000 T vectors
ffffffc0010890b8 B __bss_start
ffffffc0010890b8 D _edata
ffffffc00191ab58 B mem_map
ffffffc00191ab60 B max_mapnr
ffffffc001c7dd28 B __bss_stop
ffffffc001c7e000 B idmap_pg_dir
ffffffc001c80000 B swapper_pg_dir
ffffffc001c82000 B _end
ARM：
c0003000 A swapper_pg_dir
c0008000 T _text
c0008000 T stext
c0008090 t __create_page_tables
c0008168 t __turn_mmu_on_loc
c0008174 T secondary_startup
c00081e0 T __secondary_switched
c00081ec t __secondary_data
c00081f8 t __enable_mmu
c0008220 t __vet_atags
c0008280 T __exception_text_start
c0008280 T _stext
c0008280 T asm_do_IRQ
c0008284 T do_undefinstr
c0caccb8 b suspend_time
c0caccc0 b last_transmit
c0caccc8 b activity_lock
c0caccd0 b klist_remove_lock
c0caccd4 B __bss_stop
c0caccd4 B _end
对于ARM来说，32位和64位明显不同。
 
对整个内核空间代码和数据来说，由于他们是直接映射的，我们这里讨论起来非常简单
对于这些地址，内核通过宏__pa()找到这些虚拟地址对应的物理地址。或者通过__va()找到物理地址对应
的虚拟地址。
arch/arm64/include/asm/memory.h
#define __pa(x)   __virt_to_phys((unsigned long)(x))
#define __va(x)   ((void *)__phys_to_virt((phys_addr_t)(x)))
#define pfn_to_kaddr(pfn) __va((pfn) << PAGE_SHIFT)
#define virt_to_pfn(x)      __phys_to_pfn(__virt_to_phys(x))
继续看定义：
include/asm-generic/memory-module.h
#define __virt_to_phys(x) (((phys_addr_t)(x) - PAGE_OFFSET + PHYS_OFFSET))
#define __phys_to_virt(x) ((unsigned long)((x) - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET))
#define __phys_to_pfn(paddr) ((unsigned long)((paddr) >> PAGE_SHIFT))
#define __pfn_to_phys(pfn) ((phys_addr_t)(pfn) << PAGE_SHIFT)
#define __pfn_to_page(pfn) (mem_map + ((pfn) - ARCH_PFN_OFFSET))
#define __page_to_pfn(page) ((unsigned long)((page) - mem_map) + ARCH_PFN_OFFSET)
这里需要注意PAGE_OFFSET和PHYS_OFFSET定义，前者是整个内核空间开始的虚拟地址，一般跟体系结构相关，
如经典32为X86和ARM为0xC0000000，即3GB处。对于64位来说，一般为0xFFFFFFC000000000
而PHYS_OFFSET则为物理内存起始地址，一般来说，这个偏移跟芯片设计相关，这个偏移表示了访问DDR最低的地址线。
比如说，如果PHYS_OFFSET为1GB，DDR大小为2GB，那么有效访问DDR空间的地址必须是
0x40000000--0xC0000000之间。
在我们上面给出的system.map中的虚拟地址可以看到，
内核虚拟地址起始地址起始为0xFFFFFFC000000000，这个由内核定义的PAGE_OFFSET给出。
而内核真正开始的使用的地址为0xffffffc000080000这里有个偏移量，大小为128个页(4KB)。总大小为512kB字节。
在本实验上测试，得到PHYS_OFFSET为0x8800000，即136MB开始处。
可以看到，一个内核中的虚拟地址，即0xFFFFFFC000000000以上的地址，如果寻找其物理地址，使用__pa()宏非常简单，
比如上面的mem_map的虚拟地址为0xffffffc00191ab58，其减去起始虚拟地址0xFFFFFFC000000000后为0x0191ab58，
然后根据物理地址偏移情况，得到真正的物理地址：0x0191ab58 + PAGE_OFFSET = 0x0191ab58 + 0x8800000
 = 0xA11AB58 可以看到，mem_map的物理地址为0xA11AB58。
那么对于这个物理地址，对应的页帧号为多少呢？即PFN为多少，这时需要使用上面的__phys_to_pfn().
可以看到，直接进行右移即可。例如对于上面的mem_map来说，其页帧为0xA11A。
那么对于一个PFN，其对应的物理page描述符是多少呢？这时需要使用宏__pfn_to_page()，注意这里使用的
ARCH_PFN_OFFSET，其就是偏移PHYS_OFFSET对应的页帧号，上面为0x8800000则对应页帧为0x8800，则上面mem_map对应的页帧号
为0xA11A -  0x8800 = 0x191A ，然后再根据mem_map数组，即 mem_map[0x191A]为mem_map的页描述符。