虚拟地址物理地址
0xC000 00000x0000 0000
0xFFFF 8FFF0x3FFF 8FFF
……
0xFFFF FFFF0x4000 0000
这里有一个问题。内核空间只能映射到物理空间的前1GB。为了解决这个问题。内核将每个节点的物理内存空间分为三部分：zone_dma zone_normal zone_highmem。 zone_dma和zone_normal占用896MB的空间，而zone_highmem占用896MB的空间。内核虚拟地址空间的高128MB专门用于映射高端内存。然而，这个映射是动态的，这意味着这个区域没有办法永久映射到内核的虚拟地址空间。
2.建立高端内存映射
1 永久内核映射
1.1 数据结构
1 页地址h表
在函数page_address()中，为了加快页框指针到线性地址的转换速度，内核使用哈希表来保存页框指针和线性地址的关系。桶中的每一项都是一个page_address_map结构。
静态结构体page_address_slot {
struct list_head lh; /* page_address_map 列表*/
spinlock_t 锁； /* 保护该存储桶的列表*/
} page_address_htable[1
结构体page_address_map {
结构页*页；
无效*虚拟；
struct list_head 列表；
};
2 pkmap_count数组
永久映射区间的起始线性地址是PKMAP_BASE。内核使用主内核页目录表（swapper_pg_dir）中的页表建立永久映射。页表有指针。
pte_t * pkmap_page_table 来表示。页表中页表项的数量由宏LAST_PKMAP表示。当PAE打开时，页表项数为1024，否则为512。
与临时映射不同，为了保证映射的持久性，内核创建了一个数组int pkmap_count[LAST_PKMAP]。该数组中的元素数量就是页表条目的数量。数组是计数器的集合。
count=0：表示页表项可用，相关映射尚未建立。在TLB刷新之前，TLB没有相关的页表项。
count=1：表示该页当前没有映射到任何页框，但是TLB中最后一个映射的条目还没有被刷新。因此，无法创建该页面的映射。简单来说，映射仍然保存在TLB中
count=n : 表示相关页表项已经建立，并且n-1个进程正在使用该映射。
当然，仅仅有一个计数器是不够的。为了防止对页表项的并发访问，创建映射的过程需要用锁来控制。
永久映射由kmap(struct page *page)创建，它接收参数page作为映射的页框指针。该函数返回一个线性地址。 kmap的核心是函数kmap_high()
3公里地图高
kmap_high首先调用page_address来获取页框对应的线性地址。
如果页框尚未映射，则调用map_new_virtual。在map_new_virtual中，如果找到count为0的mapping，则将count设置为1，然后count加1。此时计数值等于2
否则，不调用mapp_new_virtual，计数直接加1。此时，计数应该大于2。
void fastcall *kmap_high(struct page *page)
{
无符号长vaddr；
//申请kmap_lock自旋锁
spin_lock(kmap_lock);
//检查页框是否已经映射
vaddr=(无符号长)page_address(页);
//如果尚未映射，则调用map_new_virtual创建映射并返回新的线性地址。
如果（！vaddr）
vaddr=map_new_virtual(页面);
pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)]++;
if (pkmap_count[PKMAP_NR(vaddr)] 2)
漏洞（）;
spin_unlock(kmap_lock);
返回(void*) vaddr;
}
4 地图新虚拟
当页框尚未映射到虚拟页时调用map_new_virtual。为了防止重复遍历pkmap_count数组，函数使用last_pkmap_nr来记录最后一次映射末尾的页表项的索引。 map_new_virtual 实际上大致做了三件事：
首先，如果pkmap_count 中存在计数器为0 的索引，则创建映射并将其计数设置为1。
其次，如果last_pkmap_nr=0，即整个页表中没有可用的页表项，则调用flush_all_zero_pkmaps将计数器为1的所有映射的计数器（即映射仅在TLB中）设置为0，并刷新TLB。
第三，如果pkmap_count大于1，则当前进程被阻塞，当前进程状态被设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE并添加到等待队列中。然后调度其他进程，等其他进程的时间片完成后，将原来的进程从等待队列中移除。如果当前没有其他进程映射该页框，则执行下一个循环。
map_new_virtual 等价于下面的代码（摘自ULK）
静态内联无符号长map_new_virtual(struct page *page)
{
无符号长vaddr；
整数计数；
为了（;） {
整数计数；
DECLARE_WAITQUEUE（等待，当前）；
//扫描页表中的每个页表项
for (count=LAST_PKMAP; count 0; --count) {
//last_pkmap_nr是函数最后一次结束时页表项的索引。
//这里使用了一个小技巧，相当于last_pkmap_nr=(last_pkmap_nr + 1) % (LAST_PKMAP) 但使用位运算更快
最后的pkmap_nr=(最后的pkmap_nr + 1) (LAST_PKMAP - 1);
如果（！last_pkmap_nr）{
刷新_all_zero_pkmaps（）；
计数=LAST_PKMAP；
}
如果last_pkmap_nr指向的页表项可用
if (!pkmap_count[last_pkmap_nr]) {
无符号长vaddr=PKMAP_BASE + (last_pkmap_nr PAGE_SHIFT);
//创建并插入页表项，对应页的属性为0110_0011，即G D A PCD PWT US RW P=0110_0011
set_pte((pkmap_page_table[last_pkmap_nr]), mk_pte(页， __pgprot(0x63)));
pkmap_count[last_pkmap_nr]=1;
//向哈希表page_address_htable中插入一个新元素并返回线性地址
set_page_address(页， (void *) vaddr);
返回vaddr；
}
}
//如果没有找到可用的页表项则
当前状态=TASK_UNINTERRUPTIBLE;
add_wait_queue(pkmap_map_wait, 等待);
spin_unlock(kmap_lock);
日程（ ）;
删除_等待_队列（pkmap_map_wait，等待）；
spin_lock(kmap_lock);
if (页面地址(页面))
返回（无符号长）page_address（页）；
}
}
2 临时内核映射
2.1
临时内核映射也称为原子映射。这里有一个问题：临时映射为什么叫原子映射。
临时内核映射区位于固定映射区。固定映射区的线性地址可以随意映射到任意物理地址，而不是使用物理地址=线性地址-0xC000_0000。
临时内核映射区的结构
每个CPU特有的块根据页面的用途被分为13个窗口。例如，KM_USER0和KM_USER1被内核用来存储来自用户上下文的局部变量和参数（通常是系统调用传递的局部变量和参数）。每个窗口实际上是一个页面。这13个窗口在内核中通过枚举km_type来表示，并且通过km_type中的常量作为索引来计算每个窗口的线性地址。 KM_TYPE_NR是窗口类别的数量，等于13。这样一来，临时映射区域就变成了这样：
临时映射由kmap_atomic 创建。与kmap相比，kmap_atomic不会阻塞当前进程，也不会刷新TLB，从而提高了速度。但是，由于kmap_atomic不会阻塞当前进程，如果同一个CPU上有两个进程想要在同一个窗口上建立映射，而前一个进程还没有释放该映射，那么后一个进程创建的映射就会覆盖前一个。进程创建的映射（其本质是页表项的覆盖）。因此，地图必须以原子方式创建和释放，这就是kmap_atomic 这个名称的由来。
2.2 kmap_原子
kmap_atomic接收两个参数，page是映射的页指针，type表示这个映射在临时区间中所处的窗口。
该函数返回一个线性地址。
void *kmap_atomic(struct page *page, enum km_type 类型)
{
//idx是用于完成线性地址转换的索引
枚举固定地址idx；
//vaddr用于保存映射建立后的线性地址
无符号长vaddr；
/* 甚至!CONFIG_PREEMPT 也需要这个，因为do_page_fault 中的in_atomic */
//task_struct的preempt_count字段加1
inc_preempt_count();
//如果映射的页框不在高端内存，则直接使用__va计算页框的线性地址
//__va(page_to_pfn(页) PAGE_SHIFT);
//首先获取页框的页框号并根据公式pn * 4K（页大小）获取页框的物理地址（PA），然后使用PA +0xC000 0000获取线性地址
if (!PageHighMem(页))
返回页面地址（页面）；
/**如果页框位于高端内存
/* 下面的公式需要解释一下。 smp_processor_id表示发生映射，即当前进程的CPU ID。 type 指示发生此映射的窗口。
/*根据这个公式，我们可以得到实际发生映射的索引。请注意，该索引只是一个相对索引。
idx=类型+ KM_TYPE_NR*smp_processor_id();
vaddr=__fix_to_virt(FIX_KMAP_BEGIN + idx);
//设置页表项
set_pte(kmap_pte-idx, mk_pte(页面， kmap_prot));
//刷新TLB
__flush_tlb_one(vaddr);
返回(void*) vaddr;
}
2.3 __fix_to_virt 宏
值得注意的是__fix_to_virt。 __fix_to_virt 宏将索引转换为线性地址。注意，这里使用的绝对索引位于固定的映射区间内。 FIXADDR_TOP是固定映射区间的结束线性地址。固定映射位于线性地址FIXADDR_START 和FIXADDR_TOP 之间，FIXADDR_TOP=0xFFFF_F000。在固定映射间隔和虚拟地址空间顶部（4G）之间还有一个名为FIX_HOLE 的1 页大小的空洞。更重要的是，固定的映射区间向下扩展（类似于栈）。
内核中使用宏#define __fix_to_virt(x) (FIXADDR_TOP - ((x) PAGE_SHIFT))来完成索引到线性地址的转换。结合下图，FIX_VSYSCALL区域的起始线性地址为
0xFFFF_E000=0xFFFF_F000 - 1 *0x1000
枚举公里类型{
D(0) KM_BOUNCE_READ,
D(1) KM_SKB_SUNRPC_DATA,
D(2) KM_SKB_DATA_SOFTIRQ,
D(3) KM_USER0,
D(4) KM_USER1,
D(5) KM_BIO_SRC_IRQ,
D(6) KM_BIO_DST_IRQ,
D(7) KM_PTE0,
D(8) KM_PTE1,
D(9) KM_IRQ0,
D(10) KM_IRQ1,
D(11) KM_SOFTIRQ0,
D(12) KM_SOFTIRQ1,
D(13) KM_TYPE_NR
};
修复图.h
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
FIX_KMAP_BEGIN, /* 为临时内核映射保留pte */
#define __FIXADDR_SIZE (__end_of_permanent_fixed_addresses PAGE_SHIFT)
#define FIXADDR_START (FIXADDR_TOP - __FIXADDR_SIZE)
#define __fix_to_virt(x) (FIXADDR_TOP - ((x) PAGE_SHIFT))
#define FIXADDR_TOP ((unsigned long)__FIXADDR_TOP)
#define __FIXADDR_TOP0xfffff000
用户评论
真是一篇难得的好文！讲解太到位了，终于理解了为什么高端内存对某些高性能应用这么关键！我之前一直搞不明白区别，现在感觉自己学到了很多东西。
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作为一名菜鸟程序员，我对操作系统本身不太了解。这篇文章让我开始对高端内存有了些许概念。不过，有些专业术语还是有点费解啊，希望能再多一些解释！哈哈
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文中提到的延迟和带宽的问题确实影响着系统性能。我感觉对于游戏玩家来说，选择支持高端内存的平台应该很重要吧！
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我一直觉得内存就是内存呗，哪里会有高低区别？看完这篇文章我才恍然大悟了。原来有这么复杂的设计理念，让人不得不佩服工程师们的智慧。这篇文章开阔了我的视野!
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我觉得高端内存这种东西对于普通用户来说实用性还不太高吧。平均人家的电脑配置也不会用到这样的功能啊，是不是有点过于鸡肋？
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我最近想升级自己的工作站配置，准备入手一些高端内存。看了这篇文章后，终于明白选择高端内存的优势了，我的项目效率估计会提升不少！
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文章写得比较全面，从芯片设计到应用实例都涉及了。不过，对于某些深入的技术细节，我觉得可以更详细地阐述一下，让读者更加理解高端内存的核心原理。
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我感觉文中对不同高端内存类型的对比有些少，例如DDR5和LPDDR5的差异没有具体解释，希望后续能补充一些内容！
有10位网友表示赞同！
这篇文章让我对操作系统有了更深的了解。原来内存这种常见硬件也有这么复杂的内部架构，真是太神奇了！我还会继续关注你关于系统架构的文章!
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高端内存确实可以提升系统性能，但我觉得价格也比较昂贵，普通用户可能不太容易接受吧？希望未来技术发展更加成熟，让高端内存成本更低一些。
有7位网友表示赞同！
最近在研究深度学习模型的部署工作，发现高端内存对于加速训练速度非常有效。这篇文章让我进一步了解到高端内存的应用场景和优势!
有14位网友表示赞同！
我主要用我的电脑来玩游戏，看了这篇文章后，我会优先考虑购买支持高端内存的游戏笔记本！
有15位网友表示赞同！
文章逻辑清晰，语言易懂，对于想要了解高端内存的用户来说非常有帮助。推荐给身边也想科普关于高端内存的朋友!
有11位网友表示赞同！
我感觉高端内存这种技术发展得太快了，很难跟上最新信息。希望可以多一些关于最新的高端内存标准和未来趋势的文章！
有5位网友表示赞同！
对于普通用户来说，买电脑的时候是不是选择高端内存很重要呢？还是其他配置更关键呢？希望能看到更加深入的评测和比较！
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我个人觉得文章对高端内存的作用进行举例说明不够具体，比如真实使用场景下，升级高端内存可以带来多少性能提升。希望作者能够加入一些案例分析!
有14位网友表示赞同！
我一直以为高端内存就是内存越大越好，看完这篇文章才知道还有很多细节需要注意！比如工作频率、容量等等，原来选择高端内存要这么讲究啊！
有13位网友表示赞同！
文章写的很不错，很有深度！对于想要了解操作系统原理的小伙伴们来说，这是一个不容错过的学习资源。建议 bookmark 收藏起来再慢慢研读！
有17位网友表示赞同！