【Linux内存管理】内存布局探测

近期深入学习linux内核，先从内存管理下手吧，考虑到老版本的内核分析文章已经较多，于是找了一个较新的LTS内核版本尝试自行分析，这里选择了linux 3.14版本，环境主要是x86-32bit。

Linux系统的内存管理是一个很复杂的“工程”，它不仅仅是物理内存管理，同时包括虚拟内存管理、内存交换和回收等，还有管理中的各式各样的算法。这也就表明了它的分析方法很多，因为切入点很多，这里分析内存管理采用了自底向上分析方法。

既然采用自底向上分析，那么内存的最底层莫过于就是物理内存了。物理内存管理的算法是buddy算法，一个很简单但是却意味深远的算法。不过这里暂不讲算法，毕竟系统启动并不是一开始就能够使用了buddy算法来管理物理内存的，心急吃不了热豆腐，总的有个循序渐进的过程。

废话不多说，既然说是内存管理，管理物理内存总得需要知道内存的大小吧？那么这里就先分析一下linux如何探测物理内存的。

探测物理内存布局的函数为detect_memory()，具体实现：

【file:/arch/x86/boot/memory.c】
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;
}

可以清晰的看到上面分别调用了三个函数detect_memory_e820()、detect_memory_e801()和detect_memory_88()。较新的电脑调用detect_memory_e820()足矣探测内存布局，detect_memory_e801()和detect_memory_88()则是针对较老的电脑进行兼容而保留的。

那么进一步看detect_memory_e820()的代码实现：

【file:/arch/x86/boot/memory.c】
static int detect_memory_e820(void)
{
    int count = 0;
    struct biosregs ireg, oreg;
    struct e820entry *desc = boot_params.e820_map;
    static struct e820entry buf; /* static so it is zeroed */

    initregs(&ireg);
    ireg.ax  = 0xe820;
    ireg.cx  = sizeof buf;
    ireg.edx = SMAP;
    ireg.di  = (size_t)&buf;

    /*
     * 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 {
        intcall(0x15, &ireg, &oreg);
        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;
        count++;
    } while (ireg.ebx && count < ARRAY_SIZE(boot_params.e820_map));

    return boot_params.e820_entries = count;
}

除去注释，实际代码量30余行，实现较为简单。主要实现的是一个循环调用BIOS的0x15中断的功能。在intcall(0x15, &ireg, &oreg);中0x15是中断向量，入参为ireg结构体，出参为oreg。再仔细看一下ireg的入参设置，ax赋值为0xe820，没错，这就是著名的e820的由来了。所谓的e820是指在x86的机器上，由BIOS提供的0x15中断去获取内存布局，其中中断调用时，AX寄存器必须为0xe820，中断调用后将会返回被BIOS保留内存地址范围以及系统可以使用的内存地址范围。所有通过中断获取的数据将会填充在boot_params.e820_map中，也就是著名的e820图了。

接下来通过0xe820的详细用法来理解这段代码：

【输入】

EAX=0xe820；

EBX=用来表示读取信息的Index，初始值为0，中断后返回该寄存器用来下次要获取的信号的序号；

ES：DI=用来保存信息的buffer地址；

ECX=buffer的空间大小；

EDX=入参签名，必须为“SMAP”；

【输出】

CF=如果flag寄存中的CF被置位表示调用出错；

EAX=用来返回“SMAP”，否则表示出错；

ES：DI=对应的buffer，里面存放获取到的信息；

ECX=BIOS在buffer中存放数据的大小；

EBX=BIOS返回的下次调用的序号，如果返回为0，则表示无后续信息；

由0xe820用法中，可以知道while循环就是用来连续调用0x15中断，根据每次的返回值通过ireg.ebx = oreg.ebx;设置，用来下一次探测内存布局信息，直至ebx返回0表示探测完毕。这样一来最终就可以得知该机器的整体内存布局了。

再顺道看一下buffer的内容究竟都有什么，根据代码定义，可以看到buffer的结构体为：

通过万能的谷歌查到Buffer中存放的数据格式说明：

类型含义：

最后顺便记录一下detect_memory()在Linux系统中调用路径为：

main()                               #/arch/x86/boot/main.c

└-> detect_memory()                 #/arch/x86/boot/main.c

└->detect_memory_e820()            #/arch/x86/boot/memory.c

这是在实模式下完成的内存布局探测，此时尚未进入保护模式。

对了，还有两个函数detect_memory_e801()和detect_memory_88()没说呢，这里就不贴代码了，其实看一下它的实现，都是通过调用BIOS的0x15中断来探测内存布局的，只是入参寄存器ax或ah分别是0xe801或0x88而已。这是对以前老式计算机表示兼容而保留的，现在的计算机都已经被0xe820取代了。

顺便附：BIOS 中断向量表（来自wikipedia.org）