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linux物理内存探测

发布时间:2014-09-05 16:38:10作者:知识屋

linux在被bootloader加载到内存后,cpu最初执行的linux内核代码是/header.S文件中的start_of_setup函数,这个函数在做了一些准备工作后会跳转到boot目下文件main.c的main函数执行,在这个main函数中我们可以第一次看到与内存管理相关的代码,这段代码调用detect_memeory()函数检测系统物理内存
 
在header.S中执行下面汇编代码:
 
 
start_of_setup: 
       ..... 
# Jump to C code (should not return) 
    calll   main 
       ..... 
跳到boot目录下的main.c文件中
 
void main(void) 

        ...... 
    /* Detect memory layout */ 
    detect_memory();/*内存探测函数*/ 
    ...... 

 
 
int detect_memory(void) 

    int err = -1; 
 
    if (detect_memory_e820() > 0) 
        err = 0; 
 
    if (!detect_memory_e801()) 
        err = 0; 
 
    if (!detect_memory_88()) 
        err = 0; 
 
    return err; 

由上面的代码可知,linux内核会分别尝试调用detect_memory_e820()、detcct_memory_e801()、detect_memory_88()获得系统物理内存布局,这3个函数内部其实都会以内联汇编的形式调用bios中断以取得内存信息,该中断调用形式为int 0x15,同时调用前分别把AX寄存器设置为0xe820h、0xe801h、0x88h,关于0x15号中断有兴趣的可以去查询相关手册。下面分析detect_memory_e820()的代码,其它代码基本一样。
 
#define SMAP    0x534d4150  /* ASCII "SMAP" */ 
/*由于历史原因,一些i/o设备也会占据一部分内存
物理地址空间,因此系统可以使用的物理内存空
间是不连续的,系统内存被分成了很多段,每个段
的属性也是不一样的。int 0x15 查询物理内存时每次
返回一个内存段的信息,因此要想返回系统中所有
的物理内存,我们必须以迭代的方式去查询。
detect_memory_e820()函数把int 0x15放到一个do-while循环里,
每次得到的一个内存段放到struct e820entry里,而
struct e820entry的结构正是e820返回结果的结构!而像
其它启动时获得的结果一样,最终都会被放到
boot_params里,e820被放到了boot_params.e820_map。
*/ 
static int detect_memory_e820(void) 

    int count = 0;/*用于记录已检测到的物理内存数目*/ 
    struct biosregs ireg, oreg; 
    struct e820entry *desc = boot_params.e820_map; 
    static struct e820entry buf; /* static so it is zeroed */ 
 
    initregs(&ireg);/*初始化ireg中的相关寄存器*/ 
    ireg.ax  = 0xe820; 
    ireg.cx  = sizeof buf;/*e820entry数据结构大小*/ 
    ireg.edx = SMAP;/*标识*/ 
    ireg.di  = (size_t)&buf;/*int15返回值的存放处*/ 
 
    /*
     * Note: at least one BIOS is known which assumes that the
     * buffer pointed to by one e820 call is the same one as
     * the previous call, and only changes modified fields.  Therefore,
     * we use a temporary buffer and copy the results entry by entry.
     *
     * This routine deliberately does not try to account for
     * ACPI 3+ extended attributes.  This is because there are
     * BIOSes in the field which report zero for the valid bit for
     * all ranges, and we don't currently make any use of the
     * other attribute bits.  Revisit this if we see the extended
     * attribute bits deployed in a meaningful way in the future.
     */ 
 
    do { 
        /*在执行这条内联汇编语句时输入的参数有:
        eax寄存器=0xe820
        dx寄存器=’SMAP’
        edi寄存器=desc
        ebx寄存器=next
        ecx寄存器=size
        
        返回给c语言代码的参数有:
        id=eax寄存器
        rr=edx寄存器
        ext=ebx寄存器
        size=ecx寄存器
        desc指向的内存地址在执行0x15中断调用时被设置
        */ 
        intcall(0x15, &ireg, &oreg); 
        /*选择下一个*/ 
        ireg.ebx = oreg.ebx; /* for next iteration... */ 
 
        /* BIOSes which terminate the chain with CF = 1 as opposed
           to %ebx = 0 don't always report the SMAP signature on
           the final, failing, probe. */ 
        if (oreg.eflags & X86_EFLAGS_CF) 
            break; 
 
        /* Some BIOSes stop returning SMAP in the middle of
           the search loop.  We don't know exactly how the BIOS
           screwed up the map at that point, we might have a
           partial map, the full map, or complete garbage, so
           just return failure. */ 
        if (oreg.eax != SMAP) { 
            count = 0; 
            break; 
        } 
 
        *desc++ = buf;/*将buf赋值给desc*/ 
        count++;/*探测数加一*/ 
    }  
    while (ireg.ebx && count < ARRAY_SIZE(boot_params.e820_map)); 
    /*将内存块数保持到变量中*/ 
    return boot_params.e820_entries = count; 

其中存放中断返回值得结构如下
 
struct e820entry { 
    __u64 addr; /* start of memory segment */ 
    __u64 size; /* size of memory segment */ 
    __u32 type; /* type of memory segment */ 
} __attribute__((packed)); 
在内核初始化跳入start_kernel函数后执行以下初始化
start_kernel()->setup_arch()->setup_memory_map()
 
 
/*调用x86_init.resources.memory_setup()实现对e820内存图的优化,
将e820中得值保存在e820_saved中,打印内存图
*/ 
void __init setup_memory_map(void) 

    char *who; 
    /*调用x86体系下的memory_setup函数*/ 
    who = x86_init.resources.memory_setup(); 
    /*保存到e820_saved中*/ 
    memcpy(&e820_saved, &e820, sizeof(struct e820map)); 
    printk(KERN_INFO "BIOS-provided physical RAM map:/n"); 
    /*打印输出*/ 
    e820_print_map(who); 

在x86_init.c中定义了x86下的memory_setup函数
 
 
struct x86_init_ops x86_init __initdata = { 
 
    .resources = { 
        …… 
        .memory_setup       = default_machine_specific_memory_setup, 
    }, 
        …… 
}; 
 
char *__init default_machine_specific_memory_setup(void) 

    char *who = "BIOS-e820"; 
    u32 new_nr; 
    /*
     * Try to copy the BIOS-supplied E820-map.
     *
     * Otherwise fake a memory map; one section from 0k->640k,
     * the next section from 1mb->appropriate_mem_k
     */ 
    new_nr = boot_params.e820_entries; 
    /*将重叠的去除*/ 
    sanitize_e820_map(boot_params.e820_map, 
            ARRAY_SIZE(boot_params.e820_map), 
            &new_nr); 
    /*去掉重叠的部分后得到的内存个数*/ 
    boot_params.e820_entries = new_nr; 
    /*将其赋值到全局变量e820中,小于0时,为出错处理*/ 
    if (append_e820_map(boot_params.e820_map, boot_params.e820_entries) 
      < 0) { 
        …… 
    } 
 
    /* In case someone cares... */ 
    return who; 

append_e820_map调用__append_e820_map实现
 
 
 
static int __init __append_e820_map(struct e820entry *biosmap, int nr_map) 

    while (nr_map) {/*循环nr_map次调用,添加内存块到e820*/ 
        u64 start = biosmap->addr; 
        u64 size = biosmap->size; 
        u64 end = start + size; 
        u32 type = biosmap->type; 
        /* Overflow in 64 bits? Ignore the memory map. */ 
        if (start > end) 
            return -1; 
        /*添加函数*/ 
        e820_add_region(start, size, type); 
        biosmap++; 
        nr_map--; 
    } 
    return 0; 

 
 
void __init e820_add_region(u64 start, u64 size, int type) 

    __e820_add_region(&e820, start, size, type); 

e820为e820map结构
 
 
struct e820map { 
    __u32 nr_map; 
    struct e820entry map[E820_X_MAX]; 
}; 
其中E820_X_MAX大小为128.
 
 
tatic void __init __e820_add_region(struct e820map *e820x, u64 start, u64 size, 
                     int type) 

    int x = e820x->nr_map; 
 
    if (x >= ARRAY_SIZE(e820x->map)) { 
        printk(KERN_ERR "Ooops! Too many entries in the memory map!/n"); 
        return; 
    } 
到这里,物理内存就已经从BIOS中读出来存放到全局变量e820中,e820是linux内核中用于建立内存管理框架的基础。在后面我们会看到,建立初始化节点、管理区会用到他。
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