Linux仮想アドレス空間管理

Linuxにおける仮想アドレスと物理アドレス
Linuxにおけるカーネル空間とプロセス空間

Linuxにおける仮想アドレスと物理アドレス

図１はLinuxにおける仮想アドレスと物理アドレスの関係を示しています。

図１：Linuxにおける仮想アドレスと物理アドレスの関係
Linuxの１つ１つのプロセスは互いに独立した仮想アドレス空間を持っています。従って、仮想多重空間を作っていることになります。一方カーネルは１つで、多重化されていません。プロセスから見ると、カーネル空間は全く見えず、通常上限が3Gバイトの仮想空間に見えます。もちろん、他のプロセスの仮想空間も見えるははずがありません。しかし、カーネル空間からはある時点でのプロセス空間の全てが見えてしまいます。カーネルは通常１Gバイトの大きさの仮想空間を作り、さまざまのプロセスの仮想空間を見ることができます。

また物理アドレスとの関係で言えば、プロセス空間は仮想記憶システムの複雑なアドレス変換機構で管理されているのに対し、カーネル空間は物理アドレスにストレートにマッピングされています。下記にカーネルの仮想アドレス、物理アドレス、バスアドレスの関係をインテルのx86 CPUの場合について、示します。 /usr/src/linux/include/asm/io.hに下記のような関数が定義されています。

仮想アドレスから物理アドレス：virt_to_phys(virt_addr)
物理アドレスから仮想アドレス：phys_to_virt(phys_addr)
仮想アドレスから物理アドレス：virt_to_bus(virt_addr)
バスアドレスからバスアドレス：bus_to_virt(bus_addr)

そして、それらの関数はまた次のように定義されています。

#define virt_to_bus virt_to_phys
#define bus_to_virt phys_to_virt
extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address)
{
        return __pa(address);
}
extern inline void * phys_to_virt(unsigned long address)
{
        return __va(address);
}

in /usr/src/linux/include/asm/page.h
#define __pa(x)                  ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
#define __va(x)                  ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
#define __PAGE_OFFSET            (0xC0000000)
#define PAGE_OFFSET              ((unsigned long)__PAGE_OFFSET)

これらの定義から、インテルx86 CPUにおいては

バスアドレスと物理アドレスは同じ空間であること
仮想アドレスから物理アドレスへ、またその逆は単にPAGE_OFFSETを足したり引いたりしていること、つまりストレートにマッピングされていること

になります。参考のため、現在の物理アドレスがどのようになっているかを知るために /proc/iomemを見てください。

00000000-0009fbff : System RAM
000a0000-000bffff : Video RAM area
000c0000-000c7fff : Video ROM
000c8000-000cc7ff : Extension ROM
000f0000-000fffff : System ROM
00100000-07ffffff : System RAM
  00100000-0022f8d5 : Kernel code
  0022f8d6-002aa143 : Kernel data
f8000000-fbffffff : S3 Inc. ViRGE/DX or /GX
ffbeb000-ffbebfff : Adaptec AIC-7881U
ffbefc00-ffbefc7f : Digital Equipment Corporation DECchip 21140 [FasterNet]
  ffbefc00-ffbefc7f : eth0
fff80000-ffffffff : reserved

Linuxにおけるカーネル空間とプロセス空間

さて、図２は図１で示した関係を実際のプログラムで見て見ましょう。

図２：Linuxにおけるカーネル空間とプロセス空間
プロセス空間には図に示されたプログラムがあります。右手の方です。このプログラムで定義されてdataの領域はスタック領域になります。仮想アドレスではここでは0xBFFFF4BCです。プログラムはdataに 0x55555555を入れて、これをioctlシステムコールで/dev/skeletonというデバイス名のドライバに渡そうとしています。一方、カーネル空間上ではそのデバイスドライバがskeleton_ioctlというメソッドで待ち構えています。 argという引数で受け取ることになっています。注目すべきはこのargが抱えているアドレスが0xBFFFF4BCでプロセスの仮想アドレスと同じ値だということです。つまり、カーネルはプロセスの仮想アドレスをそのまま扱うことが可能だということを示しています。