ARM的虚拟内存分割:

首先介绍一下Linux内核在虚拟内存中的何处执行。Linux内核的RAM基址在 PAGE_OFFSET 符号中定义，其位置可以配置。从 PAGE_OFFSET 的名字中可以看出，它是内核RAM第一页的虚拟内存偏移量。

你可以从四种内存分割方法中选择一种，这让我想起了快餐店。PAGE_OFFSET 符号目前在 arch/arm/Kconfig 中定义如下：

config PAGE_OFFSET
        hex
        default PHYS_OFFSET if !MMU
        default 0x40000000 if VMSPLIT_1G
        default 0x80000000 if VMSPLIT_2G
        default 0xB0000000 if VMSPLIT_3G_OPT
        default 0xC0000000

首先注意到：如果没有MMU（例如在运行ARM Cortex-R类设备，或旧的ARM7芯片时），就会在物理内存和虚拟内存之间建立1:1的映射。页表的作用仅仅是填充缓存，地址不会被重写。这种情况下，PAGE_OFFSET通常会位于地址 0x00000000。不带虚拟内存的Linux内核被称为“uClinux”，曾经是Linux内核的一个分支，多年后才被吸纳成为主线内核的一部分。

不使用虚拟内存，在Linux甚至任何POSIX类系统中都是另类。后文我们假设引导都会使用虚拟内存。

PAGE_OFFSET 虚拟内存分割符号会在上述地址处建立虚拟内存空间，供存放内核使用。所以Linux内核会将所有代码、状态和数据结构（包括虚拟内存到物理内存的转译表）保存在下面的虚拟内存地址之一：

  • 0x40000000 ~ 0xFFFFFFFF
  • 0x80000000 ~ 0xFFFFFFFF
  • 0xB0000000 ~ 0xFFFFFFFF
  • 0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF ★★★

在这四者中，最后一个 0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF 是目前最常见的，这样内核就有1GB的地址空间可以使用。

SofTool.CN Notes：
本教程均按 PAGE_OFFSET 设置为 0xC0000000 进行分割，即内核空间地址范围: 0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF ，用户空间地址范围：0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF

Linux内核下方(下方的意思：<0xC0000000 的地址 )的内存用于用户空间的代码，地址范围为0x00000000-PAGE_OFFSET-1（通常地址位于0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF，共3GB）。Unix习惯提供超额内存，即操作系统乐观地给程序提供的虚拟内存空间，其大小通常会超过可用的物理内存大小。每个新生成的用户空间进程都以为自己有3GB的虚拟内存可用！这种超额提供从上世纪七十年代就成了Unix的特点。

为什么有四种分割方式？

答案很简单：ARM在嵌入式系统中有大量应用，这些系统可能更重视用户空间（如通常的平板电脑、手机甚至台式电脑），也可能更重视内核空间（如路由器）。绝大多数系统都重视用户空间，或者内存很少，所以怎样分割其实关系不大（不论怎样分割，内存都会很拥挤），所以最常见的分割就是将 PAGE_OFFSET 设置为 0xC0000000。

02_虚拟内存分割 - 图1

上图：内核空间和用户空间之间最常见的虚拟内存分割位于0xC0000000。

有可能系统有很多内存，且更重视内核空间，例如：带有很多内存（如4GB RAM）的路由器或NAS。此时你可能希望内核能够将一些内存作为页面缓存和网络缓存使用，提高最常见的操作速度，所以你会希望分割出更多的内核内存，比如在极端情况下可以将 PAGE_OFFSET 设置为 0x40000000。

这个虚拟内存映射永远存在，即使内核在执行用户空间代码时也是。一直保持内核映射，可以非常快地进行用户空间到内核空间的上下文切换，这样当用户空间进程需要调用内核时，不需要进行任何页表替换。只需要启动一个软件陷阱，切换到特权模式（supervisor mode），执行内核代码即可，虚拟内存的配置不需要变化。

在不同的用户空间之间执行上下文切换也更快：只需要用一段预先定义好的物理RAM块替换页表的低端部分（通常会替换内核映射，因为它很简单）即可。这段预先定义好的物理RAM是线性映射的，甚至被存储在一个特殊的地方：快表（translation lookaside buffer，简称 TLB）。快表TLB位于CPU芯片上，是“非常快的转译表”，所以能更快地进入内核空间。这些地址永远存在，永远是线性映射的，而且永远不会产生页面错误。