Разработчики часто удивляются, что для каждой физической страницы в системе создается экземпляр данной структуры. Они думают: "Как много для этого используется памяти!" Давайте посмотрим, насколько плохо (или хорошо) расходуется адресное пространство для хранения информации о страницах памяти. Размер структуры
struct page
равен 40 байт. Допустим, что система имеет страницы размером 1 Кбайт, а объем физической памяти равен 128 Мбайт. Тогда все структуры раде в системе займут немного больше 1 Мбайт памяти — не очень большая плата за возможность управления всеми страницами физической памяти.
Зоны
В связи с ограничениями аппаратного обеспечения, ядро не может рассматривать все страницы памяти как идентичные. Некоторые страницы,
в связи со значениями их физических адресов памяти, не могут использоваться для некоторых типов задач. Из-за этого ограничения ядро делит физическую память на зоны. Ядро использует зоны, чтобы группировать страницы памяти с аналогичными свойствами. В частности, операционная система Linux должна учитывать следующие недостатки аппаратного обеспечения, связанные с адресацией памяти.
• Некоторые аппаратные устройства могут выполнять прямой доступ к памяти (ПДП, DMA, Direct Memory Access) только в определенную область адресов.
• На некоторых аппаратных платформах для физической адресации доступны большие объемы памяти, чем для виртуальной адресации. Следовательно, часть памяти не может постоянно отображаться в адресное пространство ядра.
В связи с этими ограничениями, в операционной системе Linux выделяют три зоны памяти.
•
ZONE_DMA
. Содержит страницы, которые совместимы с режимом DMA.
•
ZONE_NORMAL
. Содержит страницы памяти, которые отображаются в адресные пространства обычным образом.
•
ZONE_HIGHMEM
. Содержит "верхнюю память", состоящую из страниц, которые не могут постоянно отображаться в адресное пространство ядра.
Эти зоны определяются в заголовочном файле
<linux/mmzone.h>
.
То, как используется разделение памяти на зоны, зависит от аппаратной платформы. Например, для некоторых аппаратных платформ нет проблем с прямым доступом к памяти ни по какому адресу. Для таких платформ зона
ZONE_DMA
является пустой, и для всех типов выделения памяти используется зона
ZONE_NORMAL
.
Как противоположный пример можно привести платформу x86, для которой устройства ISA [61] не могут выполнять операции DMA в полном 32-разрядном пространстве адресов, так как устройства ISA могут обращаться только к первым 16 Мбайт физической памяти. Следовательно, зона
ZONE_DMA
для платформы x86 содержит только страницы памяти с физическими адресами в диапазоне 0-16 Мбайт.
Аналогично используется и зона
ZONE_HIGHMEM
. To, что аппаратная платформа может отображать и чего она не может отображать в адресное пространство ядра, отличается для разных аппаратных платформ. Для платформы x86 зона
ZONE_HIGHMEM
— это вся память, адреса которой лежат выше отметки 896 Мбайт. Для других аппаратных платформ зона
ZONE_HIGHMEM
пуста, так как вся память может непосредственно отображаться. Память, которая содержится в зоне
ZONE_HIGHMEM
, называется верхней памятью[62] (high memory). Вся остальная память в системе называется нижней памятью (low memory).
61
Некоторые некачественные устройства PCI также могут выполнять прямой доступ к памяти только к 24-битовом адресном пространстве. Но эти устройства работают не правильно.
62
Это не имеет ничего общего с верхней памятью в операционной системе DOS.
Зона
ZONE_NORMAL
обычно содержит все, что не попало в две предыдущие зоны памяти. Для аппаратной платформы x86, например, зона
ZONE_NORMAL
содержит
всю физическую память от 16 до 896 Мбайт. Для других, более удачных аппаратных платформ,
ZONE_NORMAL
— это вся доступная память. В табл. 11.1 приведен список зон для аппаратной платформы x86.
Таблица 11.1. Зоны памяти для аппаратной платформы x86
Зона
Описание
Физическая память
ZONE_DMA
Страницы памяти, совместимые с ПДП
< 16 Мбайт
ZONE_NORMAL
Нормально адресуемые страницы
16 - 896 Мбайт
ZONE_HIGHMEM
Динамически отображаемые страницы
> 896 Мбайт
Операционная система разделяет страницы системной памяти на зоны, чтобы иметь пулы страниц для удовлетворения требований выделения памяти. Например, пул зоны
ZONE_DMA
дает возможность ядру удовлетворить запрос на выделение памяти, которая необходима для операций DMA. Если нужна такая память, ядро может просто выделить необходимое количество страниц из зоны
ZONE_DMA
. Следует обратить внимание, что зоны не связаны с аппаратным обеспечением— это логическое группирование, которое позволяет ядру вести учет страниц; памяти.
Хотя некоторые запросы на выделение памяти могут требовать страницы из определенной зоны, это требование не обязательно может быть жестким. Например, выделение памяти для ПДП требует страницы из зоны
ZONE_DMA
, а для обычного выделения памяти могут подойти страницы как из зоны
ZONE_NORMAL
так и из зоны
ZONE_DMA
. Конечно, для удовлетворения запросов по обычному выделению памяти ядро будет стараться выделять страницы из зоны
ZONE_NORMAL
, чтобы сохранить страницы в зоне
ZONE_DMA
для случая, когда эти страницы действительно нужны, Если же наступает решающий момент (становится недостаточно памяти), то ядро может обратиться к любой доступной и подходящей зоне.