X86系统的地址空间总结

通常X86系统中会存在四大地址空间：进程地址空间、内核地址空间、物理地址空和PCI地址空间。这几大 地址空间有些是硬件领域的相关内容，例如PCI地址空间，PCI Hole；有些是软件研发需要了解的。这几大地 址空间有什么不同？他们之间是如何联系在一起的呢？

下图是进程地址空间、内核地址空间以及物理地址 空间之间的联系，下面对几大地址空间的联系进行阐述。

进程地址空间大家比较熟悉，很多人都知道通过虚拟内存机制，在32位平台上每个进程都可以获得4GB大小 的地址空间。在32位Linux系统中，高1GB空间是每个进程共享的内核地址空间，0~3GB的空间是每个进程独享 的地址空间。进程地址空间通过页表与物理地址空间建立联系，为了减少这种映射带来的开销损失，X86处理 器硬件提供了TLB页表Cache。由于访存具有很高的时空局部性，因此TLB Cache的命中率很高，为虚拟内存机 制的工程应用奠定了基础。从硬件上讲，进程虚拟地址映射最重要的模块是MMU，只有拥有MMU的处理器才可以 支持虚拟地址机制。从软件上来讲，虚拟地址最重要的是页表管理。操作系统需要为虚拟内存建立页表，当 TLB Cache Miss的时候，处理器会产生中断，然后进行页表映射，并且加载页表。在进程的用户空间，很多时 候也希望直接对PCI的设备内存空间直接进行操作，例如很多应用程序想直接操作显卡内存，获得性能上的优 势。为了达到这种目的，需要将处理器域PCI设备内存地址映射至进程地址空间。在Linux中提供了mmap函数实 现IO地址与虚拟地址之间的映射。这种映射本质上与物理内存的映射是一样的，同样需要建立页表。