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.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
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:Original: Documentation/mm/memory-model.rst
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:翻译:
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司延腾 Yanteng Si <siyanteng@loongson.cn>
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:校译:
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物理内存模型
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系统中的物理内存可以用不同的方式进行寻址。最简单的情况是，物理内存从地址0开
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始，跨越一个连续的范围，直到最大的地址。然而，这个范围可能包含CPU无法访问的
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小孔隙。那么，在完全不同的地址可能有几个连续的范围。而且，别忘了NUMA，即不
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同的内存库连接到不同的CPU。
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Linux使用两种内存模型中的一种对这种多样性进行抽象。FLATMEM和SPARSEM。每
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个架构都定义了它所支持的内存模型，默认的内存模型是什么，以及是否有可能手动
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覆盖该默认值。
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所有的内存模型都使用排列在一个或多个数组中的 `struct page` 来跟踪物理页
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帧的状态。
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无论选择哪种内存模型，物理页框号（PFN）和相应的 `struct page` 之间都存
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在一对一的映射关系。
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每个内存模型都定义了 :c:func:`pfn_to_page` 和 :c:func:`page_to_pfn`
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帮助函数，允许从PFN到 `struct page` 的转换，反之亦然。
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FLATMEM
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最简单的内存模型是FLATMEM。这个模型适用于非NUMA系统的连续或大部分连续的
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物理内存。
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在FLATMEM内存模型中，有一个全局的 `mem_map` 数组来映射整个物理内存。对
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于大多数架构，孔隙在 `mem_map` 数组中都有条目。与孔洞相对应的 `struct page`
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对象从未被完全初始化。
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为了分配 `mem_map` 数组，架构特定的设置代码应该调用free_area_init()函数。
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然而，在调用memblock_free_all()函数之前，映射数组是不能使用的，该函数
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将所有的内存交给页分配器。
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一个架构可能会释放 `mem_map` 数组中不包括实际物理页的部分。在这种情况下，特
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定架构的 :c:func:`pfn_valid` 实现应该考虑到 `mem_map` 中的孔隙。
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使用FLATMEM，PFN和 `struct page` 之间的转换是直接的。 `PFN - ARCH_PFN_OFFSET`
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是 `mem_map` 数组的一个索引。
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`ARCH_PFN_OFFSET` 定义了物理内存起始地址不同于0的系统的第一个页框号。
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SPARSEMEM
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SPARSEMEM是Linux中最通用的内存模型，它是唯一支持若干高级功能的内存模型，
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如物理内存的热插拔、非易失性内存设备的替代内存图和较大系统的内存图的延迟
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初始化。
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SPARSEMEM模型将物理内存显示为一个部分的集合。一个区段用mem_section结构
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体表示，它包含 `section_mem_map` ，从逻辑上讲，它是一个指向 `struct page`
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阵列的指针。然而，它被存储在一些其他的magic中，以帮助分区管理。区段的大小
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和最大区段数是使用 `SECTION_SIZE_BITS` 和 `MAX_PHYSMEM_BITS` 常量
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来指定的，这两个常量是由每个支持SPARSEMEM的架构定义的。 `MAX_PHYSMEM_BITS`
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是一个架构所支持的物理地址的实际宽度，而 `SECTION_SIZE_BITS` 是一个任
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意的值。
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最大的段数表示为 `NR_MEM_SECTIONS` ，定义为
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.. math::
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NR\_MEM\_SECTIONS = 2 ^ {(MAX\_PHYSMEM\_BITS - SECTION\_SIZE\_BITS)}
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`mem_section` 对象被安排在一个叫做 `mem_sections` 的二维数组中。这个数组的
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大小和位置取决于 `CONFIG_SPARSEM_EXTREME` 和可能的最大段数:
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* 当 `CONFIG_SPARSEMEM_EXTREME` 被禁用时， `mem_sections` 数组是静态的，有
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`NR_MEM_SECTIONS` 行。每一行持有一个 `mem_section` 对象。
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* 当 `CONFIG_SPARSEMEM_EXTREME` 被启用时， `mem_sections` 数组被动态分配。
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每一行包含价值 `PAGE_SIZE` 的 `mem_section` 对象，行数的计算是为了适应所有的
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内存区。
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架构设置代码应该调用sparse_init()来初始化内存区和内存映射。
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通过SPARSEMEM，有两种可能的方式将PFN转换为相应的 `struct page` --"classic sparse"和
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"sparse vmemmap"。选择是在构建时进行的，它由 `CONFIG_SPARSEMEM_VMEMMAP` 的
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值决定。
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Classic sparse在page->flags中编码了一个页面的段号，并使用PFN的高位来访问映射该页
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框的段。在一个区段内，PFN是指向页数组的索引。
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Sparse vmemmapvmemmap使用虚拟映射的内存映射来优化pfn_to_page和page_to_pfn操
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作。有一个全局的 `struct page *vmemmap` 指针，指向一个虚拟连续的 `struct page`
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对象阵列。PFN是该数组的一个索引，`struct page` 从 `vmemmap` 的偏移量是该页的PFN。
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为了使用vmemmap，一个架构必须保留一个虚拟地址的范围，以映射包含内存映射的物理页，并
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确保 `vmemmap`指向该范围。此外，架构应该实现 :c:func:`vmemmap_populate` 方法，
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它将分配物理内存并为虚拟内存映射创建页表。如果一个架构对vmemmap映射没有任何特殊要求，
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它可以使用通用内存管理提供的默认 :c:func:`vmemmap_populate_basepages`。
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虚拟映射的内存映射允许将持久性内存设备的 `struct page` 对象存储在这些设备上预先分
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配的存储中。这种存储用vmem_altmap结构表示，最终通过一长串的函数调用传递给
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vmemmap_populate()。vmemmap_populate()实现可以使用 `vmem_altmap` 和
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:c:func:`vmemmap_alloc_block_buf` 助手来分配持久性内存设备上的内存映射。
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ZONE_DEVICE
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`ZONE_DEVICE` 设施建立在 `SPARSEM_VMEMMAP` 之上，为设备驱动识别的物理地址范
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围提供 `struct page` `mem_map` 服务。 `ZONE_DEVICE` 的 "设备" 方面与以下
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事实有关：这些地址范围的页面对象从未被在线标记过，而且必须对设备进行引用，而不仅仅
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是页面，以保持内存被“锁定”以便使用。 `ZONE_DEVICE` ，通过 :c:func:`devm_memremap_pages` ，
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为给定的pfns范围执行足够的内存热插拔来开启 :c:func:`pfn_to_page`，
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:c:func:`page_to_pfn`, ，和 :c:func:`get_user_pages` 服务。由于页面引
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用计数永远不会低于1，所以页面永远不会被追踪为空闲内存，页面的 `struct list_head lru`
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空间被重新利用，用于向映射该内存的主机设备/驱动程序进行反向引用。
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虽然 `SPARSEMEM` 将内存作为一个区段的集合，可以选择收集并合成内存块，但
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`ZONE_DEVICE` 用户需要更小的颗粒度来填充 `mem_map` 。鉴于 `ZONE_DEVICE`
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内存从未被在线标记，因此它的内存范围从未通过sysfs内存热插拔api暴露在内存块边界
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上。这个实现依赖于这种缺乏用户接口的约束，允许子段大小的内存范围被指定给
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:c:func:`arch_add_memory` ，即内存热插拔的上半部分。子段支持允许2MB作为
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:c:func:`devm_memremap_pages` 的跨架构通用对齐颗粒度。
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`ZONE_DEVICE` 的用户是:
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* pmem: 通过DAX映射将平台持久性内存作为直接I/O目标使用。
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* hmm: 用 `->page_fault()` 和 `->page_free()` 事件回调扩展 `ZONE_DEVICE` ，
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以允许设备驱动程序协调与设备内存相关的内存管理事件，通常是GPU内存。参见Documentation/mm/hmm.rst。
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* p2pdma: 创建 `struct page` 对象，允许PCI/E拓扑结构中的peer设备协调它们之间的
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直接DMA操作，即绕过主机内存。
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