[Linux内存管理-分页机制]—把一个虚拟地址转换为物理地址
由于内核在不同的CPU上运行，甚至包括目前的64位机器。Linux内核提供了4级页表的管理机制，它可以兼容各种架构的CPU。
一个虚拟地址会被分为5个部分：页全局目录PGD（Page Global Directory），页上级目录PUD （Page Upper Directory），页中间目录PMD（Page Middle Directory，页表PT （Page Table）以及 偏移量offset，其中的表项叫页表项PTE（Page table entry）。也就是说一个线性地址中除去偏移量，分别存放了4级目录表项的索引值。
具体的线性地址翻译成物理地址的过程是：
（1）首先从进程地址描述符中（mm_struct）中读取pgd字段的内容。它就是页全局目录的起始地址；
（2）然后，页全局目录起始地址+页全局目录索引---->页上级目录的起始地址；
（3）页上级目录+页上级目录索引---->页中间目录的起始地址；
（4）页中间目录的起始地址+页中间目录的索引---->页表起始地址；
（5）页表起始地址+索引---->页表项；
（6）从页表项中取出物理页的基址，加上偏移量可以得到最终的物理地址。
以2级页表管理机制做一个原理性的说明，4级页表管理类似：
2级页表管理机制原理：
对于4级页表管理机制：
那么线性地址被分成五部分：
页表：
页表项的集合形成了页表。在一级页表内，页表项连续存放。在虚拟地址转为为物理地址过程中，没访问一次页表就需要访问一次内存。
页表项：
每个页表项的信息分为两部分：页框基地址和属性，对于我们查找物理地址来说有用的部分是页表基地址。
内核相关部分代码分析：
PAGE_SZIE
/* page.h:PAGE_SHIFT determines the page size */
#define PAGE_SHIFT 12
#define PAGE_SIZE (_AC(1, UL) << PAGE_SHIFT)
#define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE-1))PGD
/*pgtable-2level.h*/
#define PGDIR_SHIFT 22
#define PGDIR_SIZE (1UL << PGDIR_SHIFT)
#define PGDIR_MASK (~(PGDIR_SIZE-1))
#define PTRS_PER_PGD<span style="white-space:pre"> </span>1024
/*pgtable.h*/
#define pgd_index(address) (((address) >> PGDIR_SHIFT) & (PTRS_PER_PGD-1))
/* to find an entry in a page-table-directory */
#define pgd_offset(mm, addr) ((mm)->pgd + pgd_index(addr))
从以上代码可以看出：完成转换步骤中的（1）（2）从mm_struct中获取了PGD起始地址；又从线性地址的高10位作为PGD的offset；从而获得了PUD 的其实地址。
说明：从源代码可以看出，对于不同平台 以及64位平台，每级页表的偏移量定义都是不相同的，主要用PGD_SHIFT 控制。但是计算原理都一样。
PUD
#define pud_index(address) (((address) >> PUD_SHIFT) & (PTRS_PER_PUD-1))
#define pud_offset(pgd, address) ((pud_t *) pgd)
PMD
/*pgtable.h*/
#define pmd_index(address) (((address) >> PMD_SHIFT) & (PTRS_PER_PMD-1))
#define pmd_offset(pud, address) ((pmd_t *) pud + pmd_index(address))PTE
/*pgtable.h*/
#define pte_index(address) (((address) >> PAGE_SHIFT) & (PTRS_PER_PTE-1))
#define pmd_deref(pmd) (pmd_val(pmd) & _SEGMENT_ENTRY_ORIGIN)
#define pte_offset(pmd, addr) ((pte_t *) pmd_deref(*(pmd)) + pte_index(addr))
#define pte_offset_kernel(pmd, address) pte_offset(pmd,address)类型检查：
/*
* These are used to make use of C type-checking..
*/
typedef struct { unsigned long pte; } pte_t;
typedef struct { unsigned long ste[64];} pmd_t;
typedef struct { pmd_t pue[1]; } pud_t;
typedef struct { pud_t pge[1]; } pgd_t;
typedef struct { unsigned long pgprot; } pgprot_t;
typedef struct page *pgtable_t;
#define pte_val(x) ((x).pte)
#define pmd_val(x) ((x).ste[0])
#define pud_val(x) ((x).pue[0])
#define pgd_val(x) ((x).pge[0])其实pte、pgd、pud、pmd都是unsigned Long类型，但是Linux为了实现更严格的类型检查。用作指针的时候用pgd_t * ，当取地址的时候用pgd_val(x)。
内核模块实现虚拟地址转换为物理地址代码：
/*get_physic_addr.c */
内核版本：Linux-2.6.35
#include<linux/kernel.h>
#include<linux/module.h>
#include<linux/init.h>
#include<linux/mm.h>
#include<linux/mm_types.h>
#include<asm/pgtable.h>
#include<linux/vmalloc.h>
#include<linux/sched.h>
static unsigned long vaddr_to_paddr(struct mm_struct *mm,unsigned long vaddr)
{
pgd_t *pgd;
pud_t *pud;
pmd_t *pmd;
pte_t *pte;
unsigned long paddr=0;
unsigned long page_addr=0;
unsigned long page_offset=0;
// struct mm_struct *mm=current->mm;
pgd=pgd_offset(mm,vaddr); /*获得addr对应的pgd的地址*/
if(pgd_none(*pgd) || unlikely(pgd_bad(*pgd)))
goto out;
pud=pud_offset(pgd,vaddr);
if(pud_none(*pud) || unlikely(pud_bad(*pud)))
goto out;
pmd=pmd_offset(pud,vaddr);
if(pmd_none(*pmd) || unlikely(pmd_bad(*pmd)))
goto out;
pte=pte_offset_kernel(pmd,vaddr);
if(pte_none(*pte))
goto out;
page_addr=pte_val(*pte) & PAGE_MASK;
page_offset= vaddr & ~PAGE_MASK;
paddr=page_addr | page_offset;
printk("page_addr=0x%lx,page_offset=0x%lx\n",page_addr,page_offset);
printk("vaddr=%lx,paddr=%lx\n",vaddr,paddr);
out:
return paddr;
}
static int __init get_physic_init(void)
{
printk("<1>get_physic_addr Modules running.....\n");
unsigned long vaddr=0;
vaddr=(unsigned long)vmalloc(1000*sizeof(char));
if(vaddr==0){
printk("vmalloc failed...\n");
return 0;
}
vaddr_to_paddr(current->mm,vaddr);
vfree((void*)vaddr);
return 0;
}
static void __exit get_physic_exit(void)
{
printk("<1>get_phyisc_addr Modules exit\n");
}
module_init(get_physic_init);
module_exit(get_physic_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
/*Makefile*/
obj-m:=get_physic_addr.o
CURRENT_PATH=$(shell pwd)
LINUX_KERNEL_PATH=/usr/src/kernels/$(shell uname -r)
all:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) m=$(CURRENT_PATH) clean
结果：
学习参考：http://edsionte.com/techblog/archives/3435