Linux内核使用通用的四页分页模型,不仅适用于32位系统,也适用于64位系统。页面单元是MMU(内存管理单元)的一部分,将线性地址转换为物理地址。
我为您编写了一个内核模块,用于模拟虚拟地址转换为物理地址的过程。我假设您已经了解了分页系统的原理。
static void get_pgtable_macro(void)
{
printk("PAGE_OFFSET = 0x%lx\n", PAGE_OFFSET);
printk("PGDIR_SHIFT = %d\n", PGDIR_SHIFT);
printk("PUD_SHIFT = %d\n", PUD_SHIFT);
printk("PMD_SHIFT = %d\n", PMD_SHIFT);
printk("PAGE_SHIFT = %d\n", PAGE_SHIFT);
printk("PTRS_PER_PGD = %d\n", PTRS_PER_PGD);
printk("PTRS_PER_PUD = %d\n", PTRS_PER_PUD);
printk("PTRS_PER_PMD = %d\n", PTRS_PER_PMD);
printk("PTRS_PER_PTE = %d\n", PTRS_PER_PTE);
printk("PAGE_MASK = 0x%lx\n", PAGE_MASK);
}
static unsigned long vaddr2paddr(unsigned long vaddr)
{
pgd_t *pgd;
pud_t *pud;
pmd_t *pmd;
pte_t *pte;
unsigned long paddr = 0;
unsigned long page_addr = 0;
unsigned long page_offset = 0;
pgd = pgd_offset(current->mm, vaddr);
printk("pgd_val = 0x%lx\n", pgd_val(*pgd));
printk("pgd_index = %lu\n", pgd_index(vaddr));
if (pgd_none(*pgd)) {
printk("not mapped in pgd\n");
return -1;
}
pud = pud_offset(pgd, vaddr);
printk("pud_val = 0x%lx\n", pud_val(*pud));
if (pud_none(*pud)) {
printk("not mapped in pud\n");
return -1;
}
pmd = pmd_offset(pud, vaddr);
printk("pmd_val = 0x%lx\n", pmd_val(*pmd));
printk("pmd_index = %lu\n", pmd_index(vaddr));
if (pmd_none(*pmd)) {
printk("not mapped in pmd\n");
return -1;
}
pte = pte_offset_kernel(pmd, vaddr);
printk("pte_val = 0x%lx\n", pte_val(*pte));
printk("pte_index = %lu\n", pte_index(vaddr));
if (pte_none(*pte)) {
printk("not mapped in pte\n");
return -1;
}
/* Page frame physical address mechanism | offset */
page_addr = pte_val(*pte) & PAGE_MASK;
page_offset = vaddr & ~PAGE_MASK;
paddr = page_addr | page_offset;
printk("page_addr = %lx, page_offset = %lx\n", page_addr, page_offset);
printk("vaddr = %lx, paddr = %lx\n", vaddr, paddr);
return paddr;
}
static int __init v2p_init(void)
{
unsigned long vaddr = 0;
printk("vaddr to paddr module is running..\n");
get_pgtable_macro();
printk("\n");
vaddr = (unsigned long)vmalloc(1000 * sizeof(char));
if (vaddr == 0) {
printk("vmalloc failed..\n");
return 0;
}
printk("vmalloc_vaddr=0x%lx\n", vaddr);
vaddr2paddr(vaddr);
printk("\n\n");
vaddr = __get_free_page(GFP_KERNEL);
if (vaddr == 0) {
printk("__get_free_page failed..\n");
return 0;
}
printk("get_page_vaddr=0x%lx\n", vaddr);
vaddr2paddr(vaddr);
return 0;
}
static void __exit v2p_exit(void)
{
printk("vaddr to paddr module is leaving..\n");
vfree((void *)vaddr);
free_page(vaddr);
}
Get_pgtable_macro()打印当前系统分页机制中的一些宏。
通过vmalloc()在内核空间分配内存空间,调用vaddr2paddr()将转换为虚拟地址物理地址。
使用vaddr2paddr()通过在内核空间中分配帧的方式将虚拟地址转换为物理地址,其中使用__get_free_pages()进行分配。
分别使用vfree()和free_page()释放所请求的内存空间。
vaddr2paddr()的执行过程如下:
通过pgd_offset计算出页面全局目录项的线性地址pgd,传入内存描述符mm和线性地址vaddr。接下来打印由pgd指向的页面全局目录项。
通过pud_offset计算出页面父级目录项的线性地址pud,传入页面全局目录项的线性地址pgd和线性地址vaddr的参数。然后打印指向父级目录项的pud。
通过pmd_offset计算出页面中间目录项的线性地址pmd,传入父级目录项的线性地址pud和线性地址vaddr的参数。然后打印指向中间目录项pmd的页面。
通过pte_offset_kernel计算出线性地址pte的pte_offset_kernel,参数为中间目录项pmd的线性地址和地址vaddr。然后打印由pte指向的页面表项。
pte_val(*pte)用于删除页面表项,并使用PAGE_MASK相位得到结果以访问页面的物理地址; vaddr&~PAGE_MASK用于获取线性地址偏移字段;最终物理地址通过两者计算得出。
打印物理地址
更新:针对五级页表:
pud_offset(p4d_t *p4d, unsigned long address);
p4d_t* p4d;
p4d = p4d_offset(pgd, vaddr);
if (p4d_none(*p4d) || p4d_bad(*p4d)) {
printk("not mapped in p4d\n");
return -1;
}
pud = pud_offset(p4d, vaddr);
printk("pud_val = 0x%lx\n", pud_val(*pud));
if (pud_none(*pud)) {
printk("not mapped in pud\n");
return -1;
}