linux中pfn是什么意思

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在linux中，pfn全稱“page frame number”，是物理內存區域編號。“page frame”是針對物理內存而言的，把物理內存分成一個個的page size的區域，并且給每一個page編號，而這個編號就是PFN。

本教程操作環境：linux5.9.8系統、Dell G3電腦。

1、什么是page frame？

操作系統最重要的作用之一就是管理計算機系統中的各種資源，做為最重要的資源：內存，我們必須管理起來。在linux操作系統中，物理內存是按照page size來管理的，具體page size是多少是和硬件以及linux系統配置相關的，4k是最經典的設定。因此，對于物理內存，我們將其分成一個個按page size排列的page，每一個物理內存中的page size的內存區域我們稱之page frame。我們針對每一個物理的page frame建立一個struct page的數據結構來跟蹤每一個物理頁面的使用情況：是用于內核的正文段？還是用于進程的頁表？是用于各種file cache還是處于free狀態……

每一個page frame有一個一一對應的page數據結構，系統中定義了page_to_pfn和pfn_to_page的宏用來在page frame number和page數據結構之間進行轉換，具體如何轉換是和memory modle相關，我們會在第三章詳細描述linux kernel中的3種內存模型。

2、什么是PFN？

對于一個計算機系統，其整個物理地址空間應該是從0開始，到實際系統能支持的最大物理空間為止的一段地址空間。在ARM系統中，假設物理地址是32個bit，那么其物理地址空間就是4G，在ARM64系統中，如果支持的物理地址bit數目是48個，那么其物理地址空間就是256T。當然，實際上這么大的物理地址空間并不是都用于內存，有些也屬于I/O空間（當然，有些cpu arch有自己獨立的io address space）。因此，內存所占據的物理地址空間應該是一個有限的區間，不可能覆蓋整個物理地址空間。不過，現在由于內存越來越大，對于32位系統，4G的物理地址空間已經無法滿足內存的需求，因此會有high memory這個概念，后續會詳細描述。

PFN是page frame number的縮寫，所謂page frame，就是針對物理內存而言的，把物理內存分成一個個的page size的區域，并且給每一個page 編號，這個編號就是PFN。假設物理內存從0地址開始，那么PFN等于0的那個頁幀就是0地址（物理地址）開始的那個page。假設物理內存從x地址開始，那么第一個頁幀號碼就是（x>>PAGE_SHIFT）。

PFN的取值范圍是 0----（memory size >> 12）。

但是由于物理內存映射的關系，物理內存的0地址對應到到系統上并不是物理地址的0。 例如：s3c2440上，內存的地址是從0x30000000開始的。當連接ram后，ram的0地址在s3c2440看來，就是0x30000000.  所以在系統中 pfn的值 應該等于 （physical address - memory base address） >> 12 。

但是linux中，用的又都是虛擬地址，所以要先將 virtual address轉換成 physical address 才行。 所以在linux中有個宏定義 將內核線性空間的虛擬地址和pfn轉換：

#define virt_to_pfn(kaddr)	(__pa(kaddr) >> PAGE_SHIFT)   //__pa() 將虛擬地址轉化成物理地址  
#define pfn_to_virt(pfn)	__va((pfn) << PAGE_SHIFT)

所以pfn在linux內核中應該對應的是頁幀號。可以通過簡單的轉換找到對應的物理地址。

每個物理上的頁，內核給與之分配了一個描述符來描述： page。 pfn可以和page進行轉換：

#define page_to_pfn __page_to_pfn
#define pfn_to_page __pfn_to_page

所有的page結構存放在mem_map中，方便進行管理。

由于linux是將物理內存分成4K大小的頁來進行管理的。所以在軟件上也會設置MMU進行匹配對應。后面敘述。

linux將4G的虛擬空間分成了用戶空間和內核空間。用戶空間是0---3G，內核空間是3G---4G。 從內核空間可以訪問到用戶空間，但是從用戶空間必須通過系統調用來能訪問內核空間。

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