TLB中的内核内存（虚拟地址条目）？

Question

Linux是操作系统，ARM是在此上下文中引用的处理器。

TLB是否包含内核和用户空间虚拟地址？ 内核内存从0xc000_0000开始，然后转到0xFFFF_FFFF 前3 GB属于用户空间的位置。在进程之间的上下文切换之间，刷新TLB。

TLB是否包含内核和用户空间虚拟地址？

内核内存（虚拟）直接对应物理内存（只需用0xC000_0000进行偏移即可为我们提供物理地址）。是否有必要在TLB中使用内核（虚拟）（如果你说它存在于TLB中）？它应该只有用户空间地址。

Answer 1

我们在现代CPU中进行虚拟到物理地址转换的主要原因是为了让我们能够更高效，更好地控制内存使用：

1. 分配任何物理内存，RAM（连续或不连续），并使其可以在虚拟地址空间的任何位置访问（连续或不连续），而不会浪费内存碎片。
2. 使用磁盘或其他内存扩展物理内存，RAM。
3. 使地址空间的某些部分仅可读或不可执行或仅内核等，并保护它们免受未经授权或错误的访问。
4. 将应用程序的内存彼此隔离，以进一步提高保护，安全性和可靠性。
5. 分享记忆。 ...

页面表使这一切成为可能。

您确实希望能够在内核的虚拟地址空间中映射和取消映射物理内存，并且通常此转换机制可在整个系统中运行。当然，翻译是有代价的，因为您现在需要查阅和维护页面表，这会导致性能损失。但一切都没有丢失：

1. TLBs在一定程度上缓解了这个问题。他们缓存翻译。
2. 较大的网页（例如ARMv7-A的{​​{1}}和large pages）可以提供更多帮助，因为每个翻译后的内存需要更少的TLB条目。
3. 还有像sections这样的东西。当您在应用程序之间切换并需要刷新当前TLB时，可以通过使用应用程序的global pages执行Invalidate TLB entries by ASID match来避免TLB中的全局页面无效。如果将内核的页面标记为全局，则不会使其翻译无效，并且内核本身不会遭受不必要的TLB失效。

有关ARM ASID（VMSA），页表，TLB等的具体详细信息，请参阅“ARM®体系结构参考手册ARM®v7-A和ARM®v7-R版本”。

Answer 2

Linux内核使用两种类型的虚拟地址：

1. 您在“内核内存（虚拟）”行中直接提及的内容 对应物理内存（只需与0xC000_0000进行偏移即可 给我们物理地址）“。这映射到连续的物理地址。
2. 使用vmalloc。

第一个是使用MACRO完成的：

include/asm-x86/page_32.h

#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))

_pa（x）进行虚拟到物理翻译。请注意，此转换在编译时内联。没有页表转换。最后一句非常重要。

另一方面，使用第二种方法可以分配在虚拟内存中连续的内存，但在物理内存中可能不是这样。现在，在这种情况下，第一次访问虚拟地址时需要完整页表转换。问题是这是谁做的？

对于CISC机器（如x86），MMU（硬件）在TLB未命中（首次访问虚拟地址）的情况下执行此操作并更新页表。对于内核虚拟地址（通过vmalloc获取），它们保留为TLB条目。它们被称为全局条目，当发生进程上下文切换时，它们通常被忽略，而不像其他进程地址空间条目那样被刷新。但是，当您执行vfree以释放关联的虚拟内存时，将删除这些条目。

对于RISC机器（如MIPS），页面转换由软件处理。 TLB未命中后，硬件引发异常。陷阱句柄在内核模式下运行以执行转换并使用特殊指令更新TLB。从陷阱处理程序返回后，运行相同的代码行并发生TLB命中。

请参阅：http://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSFEP/vm-tlbs.pdf

底线是并非所有内核地址都按照您描述的方式进行映射。对于您的情况，物理地址是在编译时自行生成的。那么，为什么要添加TLB条目。对于来自vmalloc的地址，存在TLB条目。当进程之间发生上下文切换时，不需要刷新整个TLB，并且可以保留内核的vmalloc创建的全局条目。使用vfree时，将刷新相应的全局条目。