Зона физической памяти

Я уже показал вам, что ядро Linux (на 32-битной архитектуре) делит виртуальную память в отношении 3:1 - 3 GB виртуальной памяти для пространства пользователя и 1 GB для пространства ядра. Код ядра и его структуры данных должны размещаться в этом 1 GB адресного пространства, но даже еще большим потребителем этого адресного пространства является виртуальное отображение физической памяти.

Это происходит потому, что ядро не может манипулировать памятью, если она не отображена в его адресное пространство. Таким образом, максимальным количеством физической памяти, которое может обработать ядро, является объем памяти, который мог бы отобразиться в виртуальное адресное пространство ядра минус объем, необходимый для отображения самого кода ядра. В итоге Linux на основе x86-системы смогла бы работать с объемом менее 1 GB физической памяти. И это максимум.

Поэтому, для обслуживания большого количества пользователей, для поддержки большего объема памяти, для улучшения производительности и для установки архитектурно-независимого способа описания памяти модель памяти Linux должна была совершенствоваться. Для достижения этих целей в более новой модели каждому CPU был назначен свой банк памяти. Каждый банк называется узлом; каждый узел разделяется на зоны. Зоны (представляющие диапазоны памяти) далее разбивались на следующие типы:

· ZONE_DMA (0-16 MB): Диапазон памяти, расположенный в нижней области памяти, чего требуют некоторые устройства ISA/PCI.

· ZONE_NORMAL (16-896 MB): Диапазон памяти, который непосредственно отображается ядром в верхние участки физической памяти. Все операции ядра могут выполняться только с использованием этой зоны памяти; таким образом, это самая критичная для производительности зона.

· ZONE_HIGHMEM (896 MB и выше): Оставшаяся доступная память системы не отображается ядром.

Концепция узла реализована в ядре при помощи структуры struct pglist_data. Зона описывается структурой struct zone_struct. Физический страничный фрейм представлен структурой struct Page, и все эти структуры хранятся в глобальном массиве структур struct mem_map, который размещается в начале NORMAL_ZONE. Эти основные взаимоотношения между узлом, зоной и страничным фреймом показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Взаимоотношения между узлом, зоной и страничным фреймом

Зона верхней области памяти появилась в системе управления памятью ядра тогда, когда были реализованы расширение виртуальной памяти Pentium II (для доступа к 64 GB памяти средствами PAE - Physical Address Extension - на 32-битных системах) и поддержка 4 GB физической памяти (опять же, на 32-битных системах). Эта концепция применима к платформам x86 и SPARC. Обычно эти 4 GB памяти делают доступными отображение ZONE_HIGHMEM в ZONE_NORMAL посредством kmap(). Обратите внимание, пожалуйста, на то, что не желательно иметь более 16 GB RAM на 32-битной архитектуре даже при разрешенном PAE.

(PAE - разработанное Intel расширение адресов памяти, разрешающее процессорам увеличить количество битов, которые могут быть использованы для адресации физической памяти, с 32 до 36 через поддержку в операционной системе приложений, использующих Address Windowing Extensions API.)

Управление этой зоной физической памяти выполняется распределителем (allocator) зоны. Он отвечает за разделение памяти на несколько зон и рассматривает каждую зону как единицу для распределения. Любой конкретный запрос на распределение использует список зон, в которых распределение может быть предпринято, в порядке от наиболее предпочтительной к наименее предпочтительной.

Например:

· Запрос на пользовательскую страницу должен быть сначала заполнен из "нормальной" зоны (ZONE_NORMAL);

· если завершение неудачно - с ZONE_HIGHMEM;

· если опять неудачно - с ZONE_DMA.

Список зон для такого распределения состоит из зон ZONE_NORMAL, ZONE_HIGHMEM и ZONE_DMA в указанном порядке. С другой стороны, запрос DMA-страницы может быть выполнен из зоны DMA, поэтому список зон для таких запросов содержит только зону DMA.