virt_to_phys和Linux内核中CPU的MMU有什么关系？

Question

我正在阅读 Linux 内存管理。我知道

The Linux kernel is responsible for creating and maintaining page tables but employs the CPU’s memory management unit (MMU) to translate the virtual memory accesses of a process into corresponding physical memory accesses.

但是，我也知道内核可以使用它的一些函数来管理内存，例如 virt_to_phys()、virt_to_page()、__pa()、...

示例：

static inline unsigned long virt_to_phys(volatile void *address)
{
    return __pa(address);
}

用于将虚拟地址转换为物理地址。

我对他们很困惑。请帮我看看MMU的翻译和内核的翻译之间的关系并区分它们？

Answer 1

根据我的理解，在内核端对物理地址的任何使用仅供参考，很可能只是为任何实际 changes/moves 翻译回来。有很多原因，其中一个是内存可能会被重新分配用于另一个目的，IE 将数据从物理内存移动到页面文件（磁盘内存），或者在物理内存分配内移动，如果更多 space 是该数据所必需的。因此，如果内核只是要在不告诉您的情况下移动物理地址，那么使用物理地址并不是一件好事。 Here is an interesting bit on the subject. And a lot more detail here.

Answer 2

virt_to_phys() 等实际上利用了页表的不同属性，如 PAGE_OFFSET 等。这些页表是由内核的内存管理子系统创建的，但它们反过来利用 MMU 硬件 read/write 主内存中的物理页面。

您还可以参考可用的不同文档，其中之一是： https://www.kernel.org/doc/gorman/html/understand/understand006.html

Answer 3

这里是要点。

1.) 内核和其他软件在虚拟地址方面的工作。每次查找相应的物理地址硬件页面都需要 tables 查找（或 TLB 获取）。

2.) 在启动时内核建立虚拟映射：为简单起见，我会说它将内存映射到地址 0x0 .. n 到 0xc0000000 .. 0xc0000000 + n（所谓的低内存）。

3.) 建立的映射是静态的。对于低内存地址，以下函数是 suitable:

virt_to_page(), __pa(), ...

表示

virtual address = physical address + some offset

因此您可以轻松地在内核代码中获取相应低内存页面的 phys/virt 地址（MMU 使用通用机制，即页面 table 每次都遍历）。这个偏移量只是惯例，仅此而已。

Answer 4

在具有虚拟内存的系统中，OS 内核负责建立物理地址和虚拟地址之间的映射。

但是，当 CPU 执行访问内存的指令时，CPU 执行从进程的虚拟地址到指示内存中实际位置的物理地址的转换。

您提到的函数可以在内核代码中使用，以获取内核代码中使用的某些地址的虚拟地址到物理地址的转换。例如，对于 x86 目标，您可以在 io.h:

中查看 virt_to_phys 上的定义

/**
 *  virt_to_phys    -   map virtual addresses to physical
 *  @address: address to remap
 *
 *  The returned physical address is the physical (CPU) mapping for
 *  the memory address given. It is only valid to use this function on
 *  addresses directly mapped or allocated via kmalloc.
 *
 *  This function does not give bus mappings for DMA transfers. In
 *  almost all conceivable cases a device driver should not be using
 *  this function
 */

static inline phys_addr_t virt_to_phys(volatile void *address)
{
    return __pa(address);
}

如果您遵循 __pa(address) 的定义，您会看到它最终调用 __phys_addr，其定义为：

unsigned long __phys_addr(unsigned long x)
{
    if (x >= __START_KERNEL_map) {
        x -= __START_KERNEL_map;
        VIRTUAL_BUG_ON(x >= KERNEL_IMAGE_SIZE);
        x += phys_base;
    } else {
        VIRTUAL_BUG_ON(x < PAGE_OFFSET);
        x -= PAGE_OFFSET;
        VIRTUAL_BUG_ON(!phys_addr_valid(x));
    }
    return x;
}

所以你可以看到内核正在使用偏移量从虚拟地址计算物理地址。根据体系结构，为翻译编译的代码将有所不同。正如 virt_to_phys 的评论所提到的，这仅适用于通过 kmalloc 直接映射或分配的内核中的内存，它不会将任意物理地址转换为虚拟地址。该翻译依赖于查找页面 table 映射。

在任何一种情况下，作为内核的一部分在 CPU 上执行的实际指令仍将依赖 CPU 的 MMU 将它们操作的虚拟地址转换为数据实际位于内存中的物理地址。

Answer 5

MMU 地址转换是一种硬件（cpu）行为。必须进行转换，因为物理地址是硬件可以用来访问内存的有效地址。另一方面，va_to_pa()这样的内核函数用于将内核逻辑地址（va）转换为物理地址（pa），这意味着内核使用虚拟地址而不是物理地址，尽管它只是在va和每年

内核指令和数据在虚拟地址中，但是内核使用物理地址做很多事情，例如准备页面table入口，获取设备的dma地址等等。所以内核需要像 va_to_pa().

这样的函数

Answer 6

您可以阅读《理解Linux内核》一书以获取更多信息。

virt_to_phys和Linux内核中CPU的MMU有什么关系？

What is the relation between virt_to_phys and the CPU's MMU in the Linux kernel?

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