Linux内存布局

在上一篇博文里，我们已经看到Linux如何有效地利用80x86的分段和分页硬件单元把逻辑地址转换为线性地址，在由线性地址转换到物理地址。那么我们的应用程序如何使用这些逻辑地址，整个内存的地址布局又是怎样的？打一个比方，内存就像一座城市，而居住在这个城市里的市民就像是各个进程，一个市民吃喝拉撒睡，当然就得用于“房子”、“车子”、“票子”等各种各样的资源。有些资源是固定的，如“房子”，我们称之为静态数据；有些资源是动态的，如“车子”，我们称之为动态数据；有些资源是用来购买（产生）数据的，如“票子”，我们称之为代码。
现在，我们就来看看内存这座巨大的城市史如何布局的。在系统初始化阶段，内核首先在实模式下建立一个物理地址映射来指定哪些物理地址范围对内核可用而哪些不可用（主要是根据映射硬件设备I/O的共享内存，或者根据相应的页框含有的BIOS数据）。
内存的某些部分将永久地分配给BOIS或内核，用来存放BIOS信息、内核代码以及静态内核数据结构。所以内核将下列页框记为保留：
• 在不可用的物理地址范围内的页框，一般用来存放BIOS信息。
• 含有内核代码和已初始化的数据结构的页框。
标记为保留页框中的页，绝不能被动态分配或交换到磁盘上。
一般来说，Linux内核安装在RAM中从物理地址0x00100000开始的地方，也就是说，从第二个MB开始。所需页框总数依赖于内核的配置方案：典型的配置所得到的内核可以完全被安装在小于3MB的RAM中。
为什么内核没有安装在RAM第一个MB开始的地方？主要是为具体的PC体系结构所考虑。例如：
• 页框0由BIOS使用，存放加电自检（Power-On Self-Test，POST）期间检查到的硬件配置。因此，很多膝上型电脑的BIOS甚至在系统初始化后还将数据写到该页框。
• 物理地址从0x000a0000 到 0x000fffff的范围通常留给BIOS例程，并且映射ISA图形卡上的内部存储器。这个区域就是所有IBM兼容PC上从640KB到1MB之间著名的洞：物理地址存在但被保留，对应的页框不能由操作系统使用。
• 前1MB内的其他页框可能由特定计算机模型保留。例如，IBM 笔记本电脑把0x0a页框映射到0x9f页框。
在启动过程的早期阶段，内核询问BIOS并了解物理内存的大小，并调用machine_specific_memory_setup()函数建立物理地址映射。假设我们的内存是128MB，那么，第一个MB就给BIOS了。整个128MB的内存被物理映射成以下布局：