ARM结构和MIPS结构的地址空间

无论在哪种体系结构中，地址空间的访问都是CPU运行的基本，CPU的每一条指令的地址，都必须在CPU所能访问的地址空间内，当然这个空间指的是虚拟地址空间。每个CPU所能访问多大的虚拟地址这是和CPU的位数有关的，32位地址总线，最大的虚拟地址就是2的32次方，64位同理。当然在实际的使用中，是不会出现这么大的地址范围的，我们都会根据设备的地址和内存的范围来配置一些窗口来给CPU访问，这就限制了CPU实际所使用的地址空间的大小。这些虚拟地址空间又是如何映射到实际的物理地址（设备地址和内存地址）的，每种结构的映射方法可能不同。不过大同小异，只要掌握一种其他的都不难理解。

简单的讲CPU拿到的地址都是虚拟地址，CPU区访问地址的时候，有的地址是落在了内存上，而有的地址落在了设备的寄存器上，这是怎么实现的呢，主要是通过窗口的配置实现的。内核通过MMU的分段管理和分页管理机制来管理内核的内存映射。

CPU拿到虚拟地址后经过MMU的分段管理得到了线性地址，线性地址又经过分页管理得到了物理地址，逻辑地址基于分段管理或者分页管理中基于基址的偏移值。（分段管理和分页管理这里不做详细介绍）进程使用的虚拟地址，由操作系统协助相关硬件，把它“转换”成真正的物理地址。虚拟地址通过页表(Page Table)映射到物理内存，页表由操作系统维护并被处理器引用。内核空间在页表中拥有较高特权级，因此用户态程序试图访问这些页时会导致一个页错误(page fault)。在Linux中，内核空间是持续存在的，并且在所有进程共享。内核代码和数据总是可寻址，随时准备处理中断和系统调用。与此相反，用户模式地址空间的映射随进程切换的发生而不断变化。

（1）ARM地址空间

32ARM结构地址空间划分：

地址分布如下图所示：

如上图所示：

用户空间（0—3G），这段空间映射到物理内存的高端内存

内核空间（3G—4G），这段空间映射到低端内存，这段空间又分为以下四部分，分别为

（a）直接映射区（0—896M）：这段虚拟地址空间和低端内存地址存在线性的地址关系即虚拟地址3G+X=物理地址X

（b）动态映射区（896—1016M）：这段空间具体映射到物理内存的什么位置不确定，该区域的地址由内核中的vmalloc来实现分配，其特点是虚拟地址空间连续，但是物理地址空间不一定连续。vmalloc函数返回的是虚拟地址，但是其映射的物理地址有可能在高端内存，也有可能在低端内存。

（c）永久内存映射区（pkmap1016—1020M）:使用kmap函数将高端内存的地址映射到这部分区域，这样就可以通过这个虚拟地址来访问高端内存的地址。通过这4M的窗口可以重复映射所有的高端内存。

（d）固定映射区：（1020—1024M）：这4M的地址是有特定用途的固定地址，这4M的区域映射的物理内存作为ACPI电源管理等寄存器的地址。

64位ARM地址空间的划分：

ARM64架构处理器采用48位物理寻址，最大可以支持256T的地址空间，对于目前的应用来说已经足够了。但是虚拟地址依然采用64，虚拟地址远远大于物理地址。所以在处理器架构设计上，把虚拟地址空间划分为三部分，分别为用户空间，非规范区和内核空间，其中内核空间和用户空间每个部分最大支持256T的访问。

用户空间：（0x0000_0000_0000_0000——0x0000_FFFF_FFFF_FFFF）256T

内核空间：（0xFFFF_0000_0000_0000——0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF）256T

其余部分被称为非规范区域。

内核空间由做了详细的划分，分为以下部分：

（a）Vmalloc区域：0xFFFF_0000_0000_0000——0xFFFF_7BFF_BFFF_0000（126974G）

（b）Vmemmap区域：0xFFFF_7BFF_C000_0000——0xFFFF_7FFF_C000_0000（4096G）

（c）PCI I/O区域：0xFFFF_7FFF_AE00_0000——0xFFFF_7FFF_BE00_0000（16M）

（d）Moudules区域：0xFFFF_7FFF_C000_0000——0xFFFF_8000_0000_0000（64M）

（e）Normal memory线性映射区：0xFFFF_8000_0000_0000——0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF（128T）

如下图所示：

（2）MIPS结构的地址空间

32位MIPS地址空间划分（loongson平台）:

如下图所示：

如上图所示：在mips结构上，32位虚拟地址空间也同样分为两部分，即用户空间和内核空间。只不过哦与ARM结构不同，这里的内核空间是2G大小。

（a）内核空间（0x8000_0000—0xFFFF_FFFF）2G

（b）用户空间（0x0000_0000——0x7FFF_FFFF）2G

内核空间又做了比较详细的划分，分别为kseg0,kseg1,kseg2。

kseg0：（0x8000_0000——0x9FFF_FFFF）512M

这部分虚拟地址被映射到物理内存的0到512M空间内，访问这个窗口的地址是需要cache的，也就意味着CPU来这个窗口取内存的数据的时候，会将数据添加到cache中，下次再取的时候就可以直接从cache中获取。

kseg1：（0xA000_0000——0xBFFF_FFFF）512M

这部分虚拟地址也被映射到物理内存的0到512M空间内，和上面属于重复映射，读取的数据属于内存的同一块内存，只不过这部分地址不经过cache，也就是CPU用这个窗口的指令去内存中取数据的时候是不经过cache的，cache中没有数据的拷贝。每次取都要从内存中读取。

kseg2：（0xC000_0000——0xFFFF_FFFF）1G

这部分虚拟地址被映射到物理内存的0x4000_000到0x7FFF_FFFF这1G的内存地址空间，作为PCI的memory空间。这个映射是TLB完成的。

用户空间虚拟地址0x0000_0000——0x7FFF_FFFF经过TLB被映射到物理内存的0x8000_0000向上的物理内存，这里面需要扣掉

0x8000_0000——0x9000_0000这256M的内存，因为这部分地址被reserved掉了不是用。所以用户空间真正的物理内存是0x9000_0000向上的地址空间。

64位MIPS地址空间划分（loongson平台）

64位地址空间划分的比较复杂，和ARM一样虚拟地址还是采用64位地址，物理地址采用了48位的物理地址，但是48位中高4位为节点号，其余的44位才是每个设备内的物理地址分布。

节点空间分布如下图所示：

而每个节点内的地址空间分布如下图所示：

如上图所示，内核模式下，虚拟地址被划分为以下五部分：

（a）用户空间：0x0000_0000_0000_0000——0x0001_0000_0000_0000（256T）

（b）地址空洞：如上图中紫色部分，内核模式下访问会出错的地址

（c）可扩展区：0x4000_0000_0000_0000——0x4000_FFFF_FFFF_FFFF和

0xC000_0000_0000_0000——0xC000_00FF_7FFF_FFFF（257T+2G）

（d）xkphys段：0x8000_0000_0000_0000——0xBFFF_FFFF_FFFF_FFFF（4E）

（e）完全复用32位地址的部分：0xFFFF_FFFF_8000_0000——0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF（4G）

如何用64位地址来访问48位的物理地址呢？请看下图：

我们在软件代码上，要用64位的虚拟地址来访问设备，只需要牢记，用0x9800_xxxx_xxxx_xxxx和0x9000_xxxx_xxxx_xxxx的地址就可以访问全部48位地址空间，用0x98开头的地址是经过cache的，0x90开头的地址是不经过cache的，其中低32位地址完全复用32位模式下的地址即可。

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