Linux 系統虛擬內存空間佈局與高低端內存劃分詳解

4GB 線性地址空間劃分

• 用戶空間 (0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF, 3GB)：每進程獨立，內核線程無用戶空間。fork 子進程複製頁表（COW），非共享物理頁。
• 內核空間 (0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF, 1GB)：全局共享，僅內核態可訪問。用戶態通過系統調用/中斷切換訪問。

內核空間細分

1. 內核邏輯地址區 (PAGE_OFFSET ~ high_memory)：直接映射物理內存（低端內存），偏移固定 PAGE_OFFSET (0xC0000000)。__pa(x) = x - PAGE_OFFSET，__va(x) = x + PAGE_OFFSET。
2. 高端線性地址區 (high_memory ~ 0xFFFFFFFF, 128MB)：
   • VMALLOC_START ~ VMALLOC_END：vmalloc/vmap/ioremap 映射物理不連續頁或 IO 空間。
   • PKMAP_BASE 起 LAST_PKMAP 頁：kmap 永久映射高端頁。
   • FIXADDR_START 起 KM_TYPE_NR*NR_CPUS 頁：kmap_atomic 臨時映射。
   • 其餘：啟動階段固定映射 IO 空間。

物理內存：低端 vs 高端

• 低端內存 (ZONE_NORMAL, < 896MB)：啟動時建立永久內核映射，__pa/__va 直接轉換。
• 高端內存 (ZONE_HIGHMEM, > 896MB)：無固定內核映射。使用時通過 kmap/kmap_atomic/vmalloc 動態建立映射。產生原因：32 位內核空間僅 1GB，扣除 128MB IO 映射區，剩餘 896MB 直接映射物理內存；超出部分即為高端內存。嵌入式平台（如 MIPS）可調整閾值（如 512MB）。

頁區與分配策略

內核按 ZONE_DMA/ZONE_NORMAL/ZONE_HIGHMEM 管理頁框。分配優先低端，GFP_HIGHMEM 允許使用高端頁。用戶進程缺頁時由內核決定映射哪類物理頁，用戶空間無感知。