Роберт Лав - Разработка ядра Linux

В связи с ограничениями аппаратного обеспечения, ядро не может рассматривать все страницы памяти как идентичные. Некоторые страницы, в связи со значениями их физических адресов памяти, не могут использоваться для некоторых типов задач. Из-за этого ограничения ядро делит физическую память на зоны . Ядро использует зоны, чтобы группировать страницы памяти с аналогичными свойствами. В частности, операционная система Linux должна учитывать следующие недостатки аппаратного обеспечения, связанные с адресацией памяти.

• Некоторые аппаратные устройства могут выполнять прямой доступ к памяти (ПДП, DMA, Direct Memory Access) только в определенную область адресов.

• На некоторых аппаратных платформах для физической адресации доступны большие объемы памяти, чем для виртуальной адресации. Следовательно, часть памяти не может постоянно отображаться в адресное пространство ядра.

В связи с этими ограничениями, в операционной системе Linux выделяют три зоны памяти.

• ZONE_DMA. Содержит страницы, которые совместимы с режимом DMA.

• ZONE_NORMAL. Содержит страницы памяти, которые отображаются в адресные пространства обычным образом.

• ZONE_HIGHMEM. Содержит "верхнюю память", состоящую из страниц, которые не могут постоянно отображаться в адресное пространство ядра.

Эти зоны определяются в заголовочном файле .

То, как используется разделение памяти на зоны, зависит от аппаратной платформы. Например, для некоторых аппаратных платформ нет проблем с прямым доступом к памяти ни по какому адресу. Для таких платформ зона ZONE_DMAявляется пустой, и для всех типов выделения памяти используется зона ZONE_NORMAL.

Как противоположный пример можно привести платформу x86, для которой устройства ISA [61] Некоторые некачественные устройства PCI также могут выполнять прямой доступ к памяти только к 24-битовом адресном пространстве. Но эти устройства работают не правильно. не могут выполнять операции DMA в полном 32-разрядном пространстве адресов, так как устройства ISA могут обращаться только к первым 16 Мбайт физической памяти. Следовательно, зона ZONE_DMAдля платформы x86 содержит только страницы памяти с физическими адресами в диапазоне 0-16 Мбайт.

Аналогично используется и зона ZONE_HIGHMEM. To, что аппаратная платформа может отображать и чего она не может отображать в адресное пространство ядра, отличается для разных аппаратных платформ. Для платформы x86 зона ZONE_HIGHMEM— это вся память, адреса которой лежат выше отметки 896 Мбайт. Для других аппаратных платформ зона ZONE_HIGHMEMпуста, так как вся память может непосредственно отображаться. Память, которая содержится в зоне ZONE_HIGHMEM, называется верхней памятью [62] Это не имеет ничего общего с верхней памятью в операционной системе DOS. ( high memory ). Вся остальная память в системе называется нижней памятью ( low memory ).

Зона ZONE_NORMALобычно содержит все, что не попало в две предыдущие зоны памяти. Для аппаратной платформы x86, например, зона ZONE_NORMALсодержит всю физическую память от 16 до 896 Мбайт. Для других, более удачных аппаратных платформ, ZONE_NORMAL— это вся доступная память. В табл. 11.1 приведен список зон для аппаратной платформы x86.

Таблица 11.1. Зоны памяти для аппаратной платформы x86

Операционная система разделяет страницы системной памяти на зоны, чтобы иметь пулы страниц для удовлетворения требований выделения памяти. Например, пул зоны ZONE_DMAдает возможность ядру удовлетворить запрос на выделение памяти, которая необходима для операций DMA. Если нужна такая память, ядро может просто выделить необходимое количество страниц из зоны ZONE_DMA. Следует обратить внимание, что зоны не связаны с аппаратным обеспечением— это логическое группирование, которое позволяет ядру вести учет страниц; памяти.

Хотя некоторые запросы на выделение памяти могут требовать страницы из определенной зоны, это требование не обязательно может быть жестким. Например, выделение памяти для ПДП требует страницы из зоны ZONE_DMA, а для обычного выделения памяти могут подойти страницы как из зоны ZONE_NORMALтак и из зоны ZONE_DMA. Конечно, для удовлетворения запросов по обычному выделению памяти ядро будет стараться выделять страницы из зоны ZONE_NORMAL, чтобы сохранить страницы в зоне ZONE_DMAдля случая, когда эти страницы действительно нужны, Если же наступает решающий момент (становится недостаточно памяти), то ядро может обратиться к любой доступной и подходящей зоне.

Каждая зона представлена с помощью структуры struct zone, которая определена в файле в следующем виде.

struct zone {

spinlock_t lock;

unsigned long free_pages;

unsigned long pages_min;

unsigned long pages_low;

unsigned long pages_high;

unsigned long protection[MAX_NR_ZONES];

spinlock_t lru_lock;

struct list_head active_list;

struct list_head inactive_list;

unsigned long nr_scan_active;

unsigned long nr_scan_inactive;

unsigned long nr_active;

unsigned long nr_inactive;

int all_unreclaimable;

unsigned long pages_scanned;

int temp_priority;

int prev_priority;

struct free_area free_area[MAX_ORDER];

wait_queue_head_t *wait_table;

unsigned long wait_table_size;

unsigned long wait_table_bits;

struct per_cpu_pageset pageset[NR_CPUS];

struct pglist_data *zone_pgdat;

struct page *zone_mem_map;

unsigned long zone_start_pfn;

char *name;

unsigned long spanned_pages;

unsigned long present_pages;

};

Эта структура большая, но в системе всего три зоны и соответственно три такие структуры. Рассмотрим наиболее важные поля данной структуры.

Поле lock— это спин-блокировка, которая защищает структуру от параллельного доступа. Обратите внимание, что она защищает только структуру, а не страницы, которые принадлежат зоне. Для защиты отдельных страниц нет блокировок, хотя отдельные части кода могут блокировать данные, которые могут оказаться в указанных страницах.

Поле free_pages— это количество свободных страниц в соответствующей зоне. Ядро старается поддерживать свободными хотя бы pages_minстраниц зоны, если это возможно (например, с помощью вытеснения на диск).

Поле name — это строка, оканчивающаяся нулем, которая содержит имя соответствующей зоны (что не удивительно). Ядро инициализирует указанное поле при загрузке системы с помощью кода, который описан n файле mm/page_alloc.с.Три зоны имеют имена "DMA", "Normal" и "HighMem".