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linuxpte

發布時間:2023-06-02 06:56:46

❶ 新手學嵌入式linux ,開發板哪個牌子好請前輩們指點!

我自己在用嵌視科技qs-pte9圖像處理開發板,不用考慮底層開發,只有一個要求就是你會寫演算法即可,開發在pc上進行,編譯完直接下載到開發板上執行就行了。板子上搭建有虛擬系統,移植很是分分中搞定,技術支持也不錯。可以去了解下,目前開發板不用考慮底層開發直接用的好像就這一家。底層開發很麻煩,所以我就選了個簡單實用的。適合初學者,另外板子運行的liunx系統,但開發還是在pc上。開發板還是選適合自己的,畢竟每個廠家側重點不同,選擇你認為你不好的地方剛剛那個板子提供滿足你就行了。

❷ Linux內存系統

維基網路——虛擬內存定義

All about Linux swap space

Linux將物理RAM (Random Access Memory) 劃分為稱為頁面的內存塊。交換是將一頁內存復制到硬碟上的預配置空間(稱為交換空間)以釋放改內存頁面上的過程。物理內存和交換空間的組合就是可用的虛擬內存量。

虛擬內存的那點事兒

進程是與其他進程共享CPU和內存資源的。為了有效的管理內存並減少出錯,現代操作系統提供了一種對主存的抽象概念,即:虛擬內存( Virtual Memory )。 虛擬內存為每個進程提供一個一致的,私有的地址空間,每個進程擁有一片連續完整的內存空間。

正如 維基網路 所說,虛擬內存不只是「使用硬碟空間來擴展內存」的技術。 虛擬內存的重要意義是它定義了一個連續的虛擬地址空間, 使得程序編寫難度降低。並且, 把內存擴展到硬碟空間只是使用虛擬內存的必然結果,虛擬內存空間會存在硬碟中,並且會被全部放入內存中緩沖(按需),有的操作系統還會在內存不夠的情況下,將一進程的內存全部放入硬碟空間中,並在切換到進程時再從硬碟讀取 (這也是Windows會經常假死的原因...)。

虛擬內存主要提供了如下三個重要的能力:

內存通常被組織為一個由M個連續的位元組大小的單元組成的數組。每個位元組都有一個唯一的物理地址 (Physical Address PA) ,作為到數組的索引。

CPU訪問內存最簡單直接的方法就是使用物理地址,這種定址方式稱為 物理定址

現代計算機使用的是一種被稱為虛擬定址 (Virtual Addressing) 的定址方式。 使用虛擬定址,CPU需要將虛擬地址翻譯成物理地址,這樣才能訪問到真實的物理內存。

虛擬定址需要硬體與操作系統之間相互合作。 CPU中含有一個被稱為內存管理單元 (Memory Management Unit,MMU) 的硬體,它的功能是將虛擬地址轉換稱為物理地址,MMU需要藉助存放在內存中的 頁表 來動態翻譯虛擬地址,該頁表由操作系統管理。

分頁表是一種數據結構,它用於計算機操作系統中虛擬內存系統,其存儲了虛擬地址到物理地址之間的映射。虛擬地址在訪問進程中是唯一的,而物理地址在硬體(比如內存)中是唯一的。

在操作系統中使用 虛擬內存 ,每個進程會認為使用一塊大的連續的內存,事實上,每個進程的內存散布在 物理內存 的不同區域。或者可能被調出到備份存儲中(一般是硬碟)。當一個進程請求自己的內存,操作系統負責把程序生成的虛擬地址,映射到實際存儲的物理內存上。操作系統在 分頁表 中存儲虛擬地址到物理地址的映射。每個映射被稱為 分頁表項(page table entry ,PTE)

在一個簡單的地址空間方案中,由虛擬地址定址的頁與物理內存中的幀之間的關系。物理內存可以包含屬於許多進程的頁。如果不經常使用,或者物理內存已滿,可以將頁面分頁到磁碟。在上圖中,並非所有頁面都在物理內存中。

虛擬地址到物理地址的轉換(即虛擬內存的管理)、內存保護、CPU高速緩存的控制。

現代的內存管理單元是以 的方式,分割虛擬地址空間(處理器使用的地址范圍)的;頁的大小是2的n次方,通常為幾KB(位元組)。地址尾部的n位(頁大小的2的次方數)作為頁內的偏移量保持不變。其餘的地址位(address)為(虛擬)頁號。

內存管理單元通常藉助一種叫做轉譯旁觀緩沖器(Translation Lookaside Buffer,TLB)和相聯高速緩存來將虛擬頁號轉換為物理頁號。當後備緩沖器中沒有轉換記錄時,則使用一種較慢的機制,其中包括專用硬體的數據結構或軟體輔助手段。這個數據結構稱為 分頁表 ,頁表中的數據叫做 分頁表項 (page table entry PTE)。物理頁號結合頁偏移量便提供了完整的物理地址。

頁表 或 轉換後備緩沖器數據項應該包括的信息有:

有時候,TLB和PTE會 禁止對虛擬頁訪問 ,這可能是因為沒有RAM與虛擬頁相關聯。如果是這種情況,MMU將向CPU發出頁錯誤的信號,操作系統將進行處理,也許會尋找RAM的空白幀,同時建立一個新的PTE將之映射到所請求的虛擬地址。如果沒有空閑的RAM,可能必須關閉一個已經存在的頁面,使用一些替換演算法,將之保存到磁碟中(這被稱為頁面調度)。

當需要將虛擬地址轉換為物理地址時,首先搜索TLB,如果找到匹配(TLB)命中,則返回物理地址並繼續存儲器訪問。然而,如果沒有匹配(稱為TLB未命中),則MMU或操作系統TLB未命中處理器通常會查找 頁表 中的地址映射以查看是否存在映射(頁面遍歷),如果存在,則將其寫回TLB(這必須完成,因為硬體通過虛擬存儲器系統中的TLB訪問存儲器),並且重啟錯誤指令(這也可以並行發生)。此後續轉換找到TLB命中,並且內存訪問將繼續。

虛擬地址到物理地址的轉換過程,如果虛擬內存不存在與TLB,轉換會被重置並通過分頁表和硬體尋找。

通常情況下,用於處理此中斷的程序是操作系統的一部分。如果操作系統判斷此次訪問有效,那麼 操作系統會嘗試將相關的分頁從硬碟上的虛擬內存文件調入內存。 而如果訪問是不被允許的,那麼操作系統通常會結束相關的進程。

雖然叫做「頁缺失」錯誤,但實際上這並不一定是一種錯誤。而且這一機制是利用虛擬內存來增加程序可用內存空間。

發生這種情況的可能性:

當原程序再次需要該頁內的數據時,如果這一頁確實沒有被分配出去,那麼系統只需要重新為該頁在MMU內注冊映射即可。

操作系統需要:

硬性頁缺失導致的性能損失是很大的。
另外,有些操作系統會將程序的一部分延遲到需要使用的時候再載入入內存執行,以此提升性能。這一特性也是通過捕獲硬性頁缺失達到的。

當硬性頁缺失過於頻繁發生時,稱發生 系統顛簸。

具體動作與所使用的操作系統有關,比如Windows會使用異常機制向程序報告,而類Unix系統則使用信號機制。

盡管在整個運行過程中,程序引用不同的頁面總數(也就是虛擬內存大小)可能超出了物理存儲器(DRAM)總大小,但是程序常常在較小的活動頁面上活動,這個集合叫做工作集或者常駐集。在工作集被緩存後,對它的反復調用會使程序命中提高,從而提高性能。

大部分的程序都可以在存儲器獲取數據和讀取中達到穩定的狀態,當程序達到穩定狀態時,存儲器的使用量通常都不會太大。虛擬內存雖然可以有效率控制存儲器的使用, 但是大量的頁缺失還是造成了系統遲緩的主要因素。 當工作集的大小超過物理存儲器大小,程序將會發生一種不幸的情況,這種情況稱為 「顛簸」 ,頁面將不停的寫入、釋放、讀取,由於大量的丟失(而非命中)而損失極大性能。用戶可以增加隨機存取存儲器的大小或是減少同時在系統里運行程序的數量來降低系統顛簸的記錄。

推薦閱讀:

操作系統--分頁(一)

操作系統實現(二):分頁和物理內存管理

❸ Linux 虛擬地址空間如何分布

一個進程的虛擬地址空間主要由兩個數據結來描述。一個是最高層次的:mm_struct,一個是較高層次的:vm_area_structs。最高層次的mm_struct結構描述了一個進程的整個虛擬地址空間。較高層次的結構vm_area_truct描述了虛擬地址空間的一個區間(簡稱虛擬區)。

1. MM_STRUCT結構

mm_strcut 用來描述一個進程的虛擬地址空間,在/include/linux/sched.h 中描述如下:

struct mm_struct {

struct vm_area_struct * mmap; /* 指向虛擬區間(VMA)鏈表 */

rb_root_t mm_rb; /*指向red_black樹*/

struct vm_area_struct * mmap_cache; /* 指向最近找到的虛擬區間*/

pgd_t * pgd; /*指向進程的頁目錄*/

atomic_t mm_users; /* 用戶空間中的有多少用戶*/

atomic_t mm_count; /* 對"struct mm_struct"有多少引用*/

int map_count; /* 虛擬區間的個數*/

struct rw_semaphore mmap_sem;

spinlock_t page_table_lock; /* 保護任務頁表和 mm->rss */

struct list_head mmlist; /*所有活動(active)mm的鏈表 */

unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;

unsigned long start_brk, brk, start_stack;

unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;

unsigned long rss, total_vm, locked_vm;

unsigned long def_flags;

unsigned long cpu_vm_mask;

unsigned long swap_address;

unsigned mpable:1;

/* Architecture-specific MM context */

mm_context_t context;

};

對該結構進一步說明如下:

在內核代碼中,指向這個數據結構的變數常常是mm。

每個進程只有一個mm_struct結構,在每個進程的task_struct結構中,有一個指向該進程的結構。可以說,mm_struct結構是對整個用戶空間的描述。

一個進程的虛擬空間中可能有多個虛擬區間(參見下面對vm_area_struct描述),對這些虛擬區間的組織方式有兩種,當虛擬區較少時採用單鏈表,由mmap指針指向這個鏈表,當虛擬區間多時採用「紅黑樹(red_black
tree)」結構,由mm_rb指向這顆樹。在2.4.10以前的版本中,採用的是AVL樹,因為與AVL樹相比,對紅黑樹進行操作的效率更高。

因為程序中用到的地址常常具有局部性,因此,最近一次用到的虛擬區間很可能下一次還要用到,因此,把最近用到的虛擬區間結構應當放入高速緩存,這個虛擬區間就由mmap_cache指向。

指針pgt指向該進程的頁目錄(每個進程都有自己的頁目錄,注意同內核頁目錄的區別),當調度程序調度一個程序運行時,就將這個地址轉成物理地址,並寫入控制寄存器(CR3)。

由於進程的虛擬空間及其下屬的虛擬區間有可能在不同的上下文中受到訪問,而這些訪問又必須互斥,所以在該結構中設置了用於P、V操作的信號量mmap_sem。此外,page_table_lock也是為類似的目的而設置。

雖然每個進程只有一個虛擬地址空間,但這個地址空間可以被別的進程來共享,如,子進程共享父進程的地址空間(也即共享mm_struct結構)。所以,用mm_user和mm_count進行計數。類型atomic_t實際上就是整數,但對這種整數的操作必須是「原子」的。

另外,還描述了代碼段、數據段、堆棧段、參數段以及環境段的起始地址和結束地址。這里的段是對程序的邏輯劃分,與我們前面所描述的段機制是不同的。

mm_context_t是與平台相關的一個結構,對i386 幾乎用處不大。

在後面對代碼的分析中對有些域給予進一步說明。

2. VM_AREA_STRUCT 結構

vm_area_struct描述進程的一個虛擬地址區間,在/include/linux/mm.h中描述如下:

struct vm_area_struct

struct mm_struct * vm_mm; /* 虛擬區間所在的地址空間*/

unsigned long vm_start; /* 在vm_mm中的起始地址*/

unsigned long vm_end; /*在vm_mm中的結束地址 */

/* linked list of VM areas per task, sorted by address */

struct vm_area_struct *vm_next;

pgprot_t vm_page_prot; /* 對這個虛擬區間的存取許可權 */

unsigned long vm_flags; /* 虛擬區間的標志. */

rb_node_t vm_rb;

/*

* For areas with an address space and backing store,

* one of the address_space->i_mmap{,shared} lists,

* for shm areas, the list of attaches, otherwise unused.

*/

struct vm_area_struct *vm_next_share;

struct vm_area_struct **vm_pprev_share;

/*對這個區間進行操作的函數 */

struct vm_operations_struct * vm_ops;

/* Information about our backing store: */

unsigned long vm_pgoff; /* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE

units, *not* PAGE_CACHE_SIZE */

struct file * vm_file; /* File we map to (can be NULL). */

unsigned long vm_raend; /* XXX: put full readahead info here. */

void * vm_private_data; /* was vm_pte (shared mem) */

};

vm_flag是描述對虛擬區間的操作的標志,其定義和描述如下

標志名 描述

VM_DENYWRITE 在這個區間映射一個打開後不能用來寫的文件。

VM_EXEC 頁可以被執行。

VM_EXECUTABLE 頁含有可執行代碼。

VM_GROWSDOWN 這個區間可以向低地址擴展。

VM_GROWSUP 這個區間可以向高地址擴展。

VM_IO 這個區間映射一個設備的I/O地址空間。

VM_LOCKED 頁被鎖住不能被交換出去。

VM_MAYEXEC VM_EXEC 標志可以被設置。

VM_MAYREAD VM_READ 標志可以被設置。

VM_MAYSHARE VM_SHARE 標志可以被設置。

VM_MAYWRITE VM_WRITE 標志可以被設置。

VM_READ 頁是可讀的。

VM_SHARED 頁可以被多個進程共享。

VM_SHM 頁用於IPC共享內存。
VM_WRITE 頁是可寫的。

較高層次的結構vm_area_structs是由雙向鏈表連接起來的,它們是按虛地址的降順序來排列的,每個這樣的結構都對應描述一個相鄰的地址空間范圍。之所以這樣分割,是因為每個虛擬區間可能來源不同,有的可能來自可執行映象,有的可能來自共享庫,而有的則可能是動態分配的內存區,所以對每一個由vm_area_structs結構所描述的區間的處理操作和它前後范圍的處理操作不同。因此Linux
把虛擬內存分割管理,並利用了虛擬內存處理常式(vm_ops)來抽象對不同來源虛擬內存的處理方法。不同的虛擬區間其處理操作可能不同,Linux在這里利用了面向對象的思想,即把一個虛擬區間看成一個對象,用vm_area_structs描述了這個對象的屬性,其中的vm_operation結構描述了在這個對象上的操作,其定義在/include/linux/mm.h中:

/*

* These are the virtual MM functions - opening of an area, closing and

* unmapping it (needed to keep files on disk up-to-date etc), pointer

* to the functions called when a no-page or a wp-page exception occurs.

*/

struct vm_operations_struct {

void (*open)(struct vm_area_struct * area);

void (*close)(struct vm_area_struct * area);

struct page * (*nopage)(struct vm_area_struct * area, unsigned long address, int unused);

};

vm_operations結構中包含的是函數指針;其中,open、close分別用於虛擬區間的打開、關閉,而nopage用於當虛存頁面不在物理內存而引起的「缺頁異常」時所應該調用的函數。

3.紅黑樹結構

Linux內核從2.4.10開始,對虛擬區的組織不再採用AVL樹,而是採用紅黑樹,這也是出於效率的考慮,雖然AVL樹和紅黑樹很類似,但在插入和刪除節點方面,採用紅黑樹的性能更好一些,下面對紅黑樹給予簡單介紹。
一顆紅黑樹是具有以下特點的二叉樹:
每個節點著有顏色,或者為紅,或者為黑
根節點為黑色
如果一個節點為紅色,那麼它的子節點必須為黑色
從一個節點到葉子節點上的所有路徑都包含有相同的黑色節點數

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