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.. SPDX-License-Identifier: GPL-2.0

:Original: Documentation/vm/memory-model.rst

:翻译:

 司延腾 Yanteng Si <siyanteng@loongson.cn>

:校译:


============
物理内存模型
============

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
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
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
同的内存库连接到不同的CPU。

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
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
覆盖该默认值。

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
帧的状态。

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
在一对一的映射关系。

每个内存模型都定义了 :c:func:`pfn_to_page` 和 :c:func:`page_to_pfn`
帮助函数，允许从PFN到 `struct page` 的转换，反之亦然。

FLATMEM
=======

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
物理内存。

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
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`
对象从未被完全初始化。

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。
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
将所有的内存交给页分配器。

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
定架构的 :c:func:`pfn_valid` 实现应该考虑到 `mem_map` 中的孔隙。

使用FLATMEM，PFN和 `struct page` 之间的转换是直接的。 `PFN - ARCH_PFN_OFFSET`
是 `mem_map` 数组的一个索引。

`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。

SPARSEMEM
=========

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，
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
初始化。

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
体表示，它包含 `section_mem_map` ，从逻辑上讲，它是一个指向 `struct page`
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
和最大区段数是使用 `SECTION_SIZE_BITS` 和 `MAX_PHYSMEM_BITS` 常量
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`
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
意的值。

最大的段数表示为 `NR_MEM_SECTIONS` ，定义为

.. math::

   NR\_MEM\_SECTIONS = 2 ^ {(MAX\_PHYSMEM\_BITS - SECTION\_SIZE\_BITS)}

`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
大小和位置取决于 `CONFIG_SPARSEM_EXTREME` 和可能的最大段数:

* 当 `CONFIG_SPARSEMEM_EXTREME` 被禁用时， `mem_sections` 数组是静态的，有
  `NR_MEM_SECTIONS` 行。每一行持有一个 `mem_section` 对象。
* 当 `CONFIG_SPARSEMEM_EXTREME` 被启用时， `mem_sections` 数组被动态分配。
  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
  内存区。

架构设置代码应该调用sparse_init()来初始化内存区和内存映射。

通过SPARSEMEM，有两种可能的方式将PFN转换为相应的 `struct page` --"classic sparse"和
 "sparse vmemmap"。选择是在构建时进行的，它由 `CONFIG_SPARSEMEM_VMEMMAP` 的
 值决定。

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
框的段。在一个区段内，PFN是指向页数组的索引。

Sparse vmemmapvmemmap使用虚拟映射的内存映射来优化pfn_to_page和page_to_pfn操
作。有一个全局的 `struct page *vmemmap` 指针，指向一个虚拟连续的 `struct page`
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。

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
确保 `vmemmap`指向该范围。此外，架构应该实现 :c:func:`vmemmap_populate` 方法，
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，
它可以使用通用内存管理提供的默认 :c:func:`vmemmap_populate_basepages`。

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
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
vmemmap_populate()。vmemmap_populate()实现可以使用 `vmem_altmap` 和
:c:func:`vmemmap_alloc_block_buf` 助手来分配持久性内存设备上的内存映射。

ZONE_DEVICE
===========
`ZONE_DEVICE` 设施建立在 `SPARSEM_VMEMMAP` 之上，为设备驱动识别的物理地址范
围提供 `struct page` `mem_map` 服务。 `ZONE_DEVICE` 的 "设备" 方面与以下
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
是页面，以保持内存被“锁定”以便使用。 `ZONE_DEVICE` ，通过 :c:func:`devm_memremap_pages` ，
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`，
:c:func:`page_to_pfn`, ，和 :c:func:`get_user_pages` 服务。由于页面引
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`
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。

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
`ZONE_DEVICE` 用户需要更小的颗粒度来填充 `mem_map` 。鉴于 `ZONE_DEVICE`
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
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
: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
:c:func:`devm_memremap_pages` 的跨架构通用对齐颗粒度。

`ZONE_DEVICE` 的用户是:

* pmem: 通过DAX映射将平台持久性内存作为直接I/O目标使用。

* hmm: 用 `->page_fault()` 和 `->page_free()` 事件回调扩展 `ZONE_DEVICE` ，
  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/vm/hmm.rst。

* 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
  直接DMA操作，即绕过主机内存。
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	13	物理内存模型
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	16	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
	17	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
	18	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
	19	同的内存库连接到不同的CPU。
	20
	21	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
	22	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
	23	覆盖该默认值。
	24
	25	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
	26	帧的状态。
	27
	28	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
	29	在一对一的映射关系。
	30
	31	每个内存模型都定义了 :c:func:`pfn_to_page` 和 :c:func:`page_to_pfn`
	32	帮助函数，允许从PFN到 `struct page` 的转换，反之亦然。
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	34	FLATMEM
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	37	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
	38	物理内存。
	39
	40	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
	41	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`
	42	对象从未被完全初始化。
	43
	44	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。
	45	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
	46	将所有的内存交给页分配器。
	47
	48	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
	49	定架构的 :c:func:`pfn_valid` 实现应该考虑到 `mem_map` 中的孔隙。
	50
	51	使用FLATMEM，PFN和 `struct page` 之间的转换是直接的。 `PFN - ARCH_PFN_OFFSET`
	52	是 `mem_map` 数组的一个索引。
	53
	54	`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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	56	SPARSEMEM
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	59	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，
	60	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
	61	初始化。
	62
	63	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
	64	体表示，它包含 `section_mem_map` ，从逻辑上讲，它是一个指向 `struct page`
65	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
66	和最大区段数是使用 `SECTION_SIZE_BITS` 和 `MAX_PHYSMEM_BITS` 常量
67	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`
68	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
69	意的值。
70
71	最大的段数表示为 `NR_MEM_SECTIONS` ，定义为
72
73	.. math::
74
75	NR\_MEM\_SECTIONS = 2 ^ {(MAX\_PHYSMEM\_BITS - SECTION\_SIZE\_BITS)}
76
77	`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
78	大小和位置取决于 `CONFIG_SPARSEM_EXTREME` 和可能的最大段数:
79
80	* 当 `CONFIG_SPARSEMEM_EXTREME` 被禁用时， `mem_sections` 数组是静态的，有
81	`NR_MEM_SECTIONS` 行。每一行持有一个 `mem_section` 对象。
82	* 当 `CONFIG_SPARSEMEM_EXTREME` 被启用时， `mem_sections` 数组被动态分配。
83	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
84	内存区。
85
86	架构设置代码应该调用sparse_init()来初始化内存区和内存映射。
87
88	通过SPARSEMEM，有两种可能的方式将PFN转换为相应的 `struct page` --"classic sparse"和
89	"sparse vmemmap"。选择是在构建时进行的，它由 `CONFIG_SPARSEMEM_VMEMMAP` 的
90	值决定。
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92	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
93	框的段。在一个区段内，PFN是指向页数组的索引。
94
95	Sparse vmemmapvmemmap使用虚拟映射的内存映射来优化pfn_to_page和page_to_pfn操
96	作。有一个全局的 `struct page *vmemmap` 指针，指向一个虚拟连续的 `struct page`
97	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。
98
99	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
100	确保 `vmemmap`指向该范围。此外，架构应该实现 :c:func:`vmemmap_populate` 方法，
101	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，
102	它可以使用通用内存管理提供的默认 :c:func:`vmemmap_populate_basepages`。
103
104	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
105	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
106	vmemmap_populate()。vmemmap_populate()实现可以使用 `vmem_altmap` 和
107	: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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109	ZONE_DEVICE
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111	`ZONE_DEVICE` 设施建立在 `SPARSEM_VMEMMAP` 之上，为设备驱动识别的物理地址范
112	围提供 `struct page` `mem_map` 服务。 `ZONE_DEVICE` 的 "设备" 方面与以下
113	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
114	是页面，以保持内存被“锁定”以便使用。 `ZONE_DEVICE` ，通过 :c:func:`devm_memremap_pages` ，
115	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`，
116	:c:func:`page_to_pfn`, ，和 :c:func:`get_user_pages` 服务。由于页面引
117	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`
118	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。
119
120	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
121	`ZONE_DEVICE` 用户需要更小的颗粒度来填充 `mem_map` 。鉴于 `ZONE_DEVICE`
122	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
123	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
124	: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
125	:c:func:`devm_memremap_pages` 的跨架构通用对齐颗粒度。
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127	`ZONE_DEVICE` 的用户是:
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129	* 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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131	* hmm: 用 `->page_fault()` 和 `->page_free()` 事件回调扩展 `ZONE_DEVICE` ，
132	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/vm/hmm.rst。
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134	* 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
135	直接DMA操作，即绕过主机内存。