Linux内核6.6 内存管理（15）代码导读——关于物理内存完整布局的思考
arm64_memblock_init
https://elixir.bootlin.com/linux/v6.11/source/arch/arm64/kernel/setup.c#L329
1）s64 linear_region_size = PAGE_END - _PAGE_OFFSET(vabits_actual);计算内核能访问Physical memory的范围
2）适配KVM场景
3）memblock_remove(1ULL << PHYS_MASK_SHIFT, ULLONG_MAX);移除超PA支持范围的内存
4）memstart_addr = round_down(memblock_start_of_DRAM(), ARM64_MEMSTART_ALIGN);确定物理内存起始地址
5）
max（线性映射所能覆盖的最大物理地址，内核数据段结束的物理地址）
情况1：线性映射覆盖内核（A ≥ B）
┌──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┐ │ 物理地址范围 │ 0 ~ S-1 │ S ~ B-1 │ B ~ A-1 │ A ~ D │ D+1 ~ ULLONG_MAX │ │ 标注 │ 低地址空闲区 │ 内核区 │ 线性映射内空闲区 │ 超线性映射高地址区 │ 无效高地址区 │ │ 内容 │ （未使用） │ 内核代码/数据 │ 可访问物理内存 │ 不可访问内存 │ （硬件不可达） │ │ 操作 │ 不处理 │ 保留（不可移除） │ 保留（可访问） │ 移除（memblock_remove）│ 移除（memblock_remove）│ ├──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────┤ │ 关键参数标注 │ │ ↓ S=memstart_addr │ ↓ B=__pa_symbol(_end) │ ↓ A=S+linear_size │ ↓ D=memblock_end_DRAM │ └──────────────┴──────────────┴──────────────┴──────────────┴──────────────┴──────────────┘
情况2：线性映射未覆盖内核（A < B）
┌──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┐ │ 物理地址范围 │ 0 ~ S-1 │ S ~ A-1 │ A ~ B-1 │ B ~ D │ D+1 ~ ULLONG_MAX │ │ 标注 │ 低地址空闲区 │ 线性映射内内核区 │ 超线性映射内核区 │ 超线性映射高地址区 │ 无效高地址区 │ │ 内容 │ （未使用） │ 内核代码/数据 │ 内核代码/数据 │ 不可访问内存 │ （硬件不可达） │ │ 操作 │ 不处理 │ 保留（不可移除） │ 保留（不可移除） │ 移除（memblock_remove）│ 移除（memblock_remove）│ ├──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────┼──────────────┤ │ 关键参数标注 │ │ ↓ S=memstart_addr │ ↓ A=S+linear_size │ ↓ B=__pa_symbol(_end) │ ↓ D=memblock_end_DRAM │ └──────────────┴──────────────┴──────────────┴──────────────┴──────────────┴──────────────┘
我们最起码保证内核不会被裁剪，当内核完成早期初始化后，会建立完整的内核页表。内核会为自身所有区域（代码段 _text、数据段 _data、bss 段等，包括 A~B-1 区域）建立独立的虚拟地址映射，这些映射与线性映射无关；后续内核会通过 paging_init 等函数完成页表初始化，将内核所有物理区域的映射写入页表，彻底解决 “线性映射未覆盖” 的问题
问题1：为什么需要映射呢，我理解的是，可以直接让内核直接从内存起始地址为0的地方直接放
解答：
一.问题：直接将内核放物理地址0的硬件冲突
┌───────────────────────────────────────────── 物理地址空间 ──────────────────────────────────────────────┐ │ 0x00000000 ~ 0x0000FFFF │ 0x00010000 ~ 0x00FFFFFF │ 0x01000000 ~ ... │ ... │ 高地址物理内存 │ │ ┌─────────────────────┐ │ ┌─────────────────────┐ │ ┌─────────────┐ │ │ ┌─────────────┐ │ │ │ BIOS/ROM固件区域 │ │ │ 中断向量表/外设寄存器 │ │ │ 空闲内存 │ │ │ │ 空闲内存 │ │ │ │ （硬件必须占用） │ │ │ （硬件必须占用） │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ └─────────────────────┘ │ └─────────────────────┘ │ └─────────────┘ │ │ └─────────────┘ │ │ │ │ │ │ │ │ ↓ 若强行放内核 → │ │ │ │ │ │ ┌─────────────────────┐ │ │ │ │ │ │ │ 内核代码/数据 │ │ │ │ │ │ │ │ （覆盖固件/硬件数据）│ │ │ │ │ │ │ └─────────────────────┘ │ │ │ │ │ └───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ → 结果：硬件固件被覆盖→启动失败；中断向量表被改→CPU无法响应中断；外设寄存器被写→硬件瘫痪
二.解决：通过“虚拟地址映射”隔离硬件与内核的示意图
1.物理地址空间（硬件真实地址）
┌───────────────────────────────────────────── 物理地址空间 ──────────────────────────────────────────────┐ │ 0x00000000 ~ 0x0000FFFF │ 0x00010000 ~ 0x00FFFFFF │ 0x01000000 ~ 0x02FFFFFF │ 0x03000000 ~ ... │ │ ┌─────────────────────┐ │ ┌─────────────────────┐ │ ┌─────────────────────┐ │ ┌─────────────┐ │ │ │ BIOS/ROM固件区域 │ │ │ 中断向量表/外设寄存器│ │ │ 内核实际存放区域 │ │ │ 其他内存 │ │ │ │ （硬件保留，不可写）│ │ │ （硬件保留，不可写）│ │ │ （空闲物理内存） │ │ │ │ │ │ └─────────────────────┘ │ └─────────────────────┘ │ └─────────────────────┘ │ └─────────────┘ │ └───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
2.内核虚拟地址空间（内核看到的地址）
┌───────────────────────────────────────────── 内核虚拟地址空间 ────────────────────────────────────────────┐ │ 0xFFFF000000000000 ~ 0xFFFF000001FFFFFF │ 0xFFFF000002000000 ~ ... │ ... │ 其他虚拟地址区域 │ │ ┌─────────────────────────────────────┐ │ ┌─────────────┐ │ │ ┌─────────────┐ │ │ │ 内核虚拟地址区域（线性映射） │ │ │ 其他虚拟 │ │ │ │ 动态映射 │ │ │ │ → 映射到物理地址 0x01000000 ~ ... │ │ │ 内存区域 │ │ │ │ 区域 │ │ │ └─────────────────────────────────────┘ │ └─────────────┘ │ │ └─────────────┘ │ └───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘ → 核心：内核代码在虚拟地址空间中“逻辑连续”，但实际映射到物理地址中“远离硬件保留区”的空闲内存，既不冲突又安全
3.映射关系表（MMU硬件维护）
内核虚拟地址范围 | 对应的物理地址范围 | 权限设置 |
0xFFFF000000000000 ~ ... | 0x01000000 ~ ... | 内核可读写，用户不可访问 |
... | 0x00000000 ~ 0x00FFFFFF | 只读（仅内核可访问硬件区域） |
... | 其他物理内存 | 按需分配权限 |
6)
通过上移线性映射的物理起点（memstart_addr） 和裁剪低地址内存，让最终管理的物理内存大小刚好等于线性映射范围，确保内核能通过线性映射访问所有可用内存。
问题2：把内核地址上移动到物理内存地址上限，然后裁剪低地址部分，那么低地址裁剪的部分用来干嘛？那为什么不能让内核用低地址，非要让内核用高地址呢？
1.硬件/固件的专属区域（bios/bootloader/cpu终端向量表）优先占用低地址的极小固定区域，剩余地址交给用户态使用
2.地址空间划分：如 64 位系统通常将 0xFFFF000000000000 以上作为内核空间），低地址留给用户程序（如应用、进程）使用。内核用高地址，能避免与用户程序的地址冲突，简化内存管理逻辑。
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 物理地址空间（真实硬件地址） │
│ ┌───────────┐ ┌───────────────┐ ┌───────────────┐ │
│ │ 硬件专属区 │ │ 用户可用物理区 │ │ 内核专属物理区 │ │
│ │ （低地址） │ │ （中低地址） │ │ （高地址） │ │
│ └───────────┘ └───────────────┘ └───────────────┘ │
↑ ↑ ↑
│ │ │
▼ ▼ ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 虚拟地址空间（内核+用户） │
│ ┌───────────────┐ ┌───────────────────────────┐ │
│ │ 用户虚拟空间 │ │ 内核虚拟空间 │ │
│ │ （映射用户区） │ │ （映射硬件+用户+内核区） │ │
│ └───────────────┘ └───────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
7）
这是给initrd页面对齐的代码
问题1.此时尚未开启页面管理，为什么需要页面对齐？
1. 为后续 MMU 页表映射做准备（MMU 只认整页）；
2. 避免与后续 memblock / 页分配器的内存块冲突；
3. 简化后续 initrd 解压 / 读取的跨页处理，提升效率。
问题2.如何使得页面对齐？
以PAGE_SIZE=4KB为例
phys_initrd_start = 0x80001234（未对齐起始地址）phys_initrd_size = 0x5678（未对齐大小）mask = 0xFFF（PAGE_SIZE-1），~mask = 0xFFFFF000（PAGE_MASK）
- PAGE_SIZE：4KB = 0x1000（十六进制），即页的最小单位；
- PAGE_MASK：4KB 对应的页掩码为
~(PAGE_SIZE - 1)=0xFFFFF000（十六进制），作用是 “屏蔽低 12 位地址”，实现向下对齐
PAGE_MASK:https://elixir.bootlin.com/linux/v6.11/source/arch/arm64/include/asm/page-def.h#L16
PAGE_ALIGH的本质: https://elixir.bootlin.com/linux/v6.11/source/include/uapi/linux/const.h#L32
步骤 1：计算 base（向下对齐基地址） base = phys_initrd_start & PAGE_MASK = 0x80001234 & 0xFFFFF000 // 按位与运算，保留高地址，清除低12位 = 0x80001000 // 结果为4KB对齐的基地址 步骤 2：计算 phys_initrd_start + phys_initrd_size（原始结束地址） phys_initrd_start + phys_initrd_size = 0x80001234 + 0x5678 = 0x800068AC // 未对齐的结束地址 步骤 3：用 __ALIGN_KERNEL_MASK 对齐结束地址 PAGE_ALIGN(0x800068AC) = ((0x800068AC) + 0xFFF) & 0xFFFFF000 // x + mask 后与 ~mask 按位与 = (0x800068AC + 0xFFF) & 0xFFFFF000 = 0x800078AB & 0xFFFFF000 = 0x80007000 // 对齐后的结束地址（4KB对齐） 计算 size（对齐后的总大小） size = 0x80007000（对齐后结束地址） - 0x80001000（base） = 0x6000 // 24KB，正好是6个4KB页（4KB×6=24KB）
问题3.initrd放在哪？initrd 是 “内核专属物理区的临时子区域”
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 地址范围 │ 归属 │ 子区域/用途说明 │ 访问权限 │ ├─────────────────────────┼───────────────┼───────────────────────────────────────────┼────────────────--------┤ │ 0x00000000 ~ 0x0000FFFF │ 硬件专属区 │ BIOS/UEFI 启动代码、中断向量表 │ 只读（内核可访问，用户不可）│ │ 0x00010000 ~ 0x000FFFFF │ 硬件专属区 │ 外设寄存器（UART/GPIO/定时器等） │ 读写（仅内核可操作） │ │ 0x00100000 ~ 0x7FFFFFFFF │ 用户可用物理区 │ 用户程序未来的物理内存（堆/栈/代码） │ 读写（内核管控，用户可访问）│ │ 0x80000000 ~ 0x8FFFFFFF │ 内核专属物理区 │ ① 内核代码段（_text）、数据段（_data） │ 读写（仅内核可访问） │ │ │ │ ② initrd 物理区域（base ~ base+size） │ 读写（仅内核可访问，保留）│ │ 0x90000000 ~ 0xFFFFFFFF │ 内核专属物理区 │ 线性映射覆盖的其他高地址内存（如内核堆） │ 读写（仅内核可访问） │ └─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘#C++##嵌入式##嵌入式软开##通信硬件人笔面经互助##牛客创作赏金赛#
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