虚拟内存

Zephyr 的虚拟内存（VM）允许开发者精细控制内存访问。要使用虚拟内存，平台必须支持内存管理单元（MMU），并在构建时启用。由于 Zephyr 主要面向嵌入式系统，其虚拟内存支持与传统操作系统略有不同：

内核映像映射

未启用按需分页时，默认将内核映像（包括代码和数据）在物理地址空间与虚拟地址空间之间作 1:1 映射。若要采用其他方式，需谨慎调整链接器脚本。

辅助存储

基本虚拟内存支持不会利用辅助存储扩展可用内存，可用内存上限与物理内存相同。

  • 按需分页 可以利用辅助存储作为虚拟内存的后备存储，使可用内存大于实际物理内存。注意，必须显式启用按需分页。

  • 虽然虚拟地址空间可以大于物理地址空间，但未启用按需分页时，所有已映射的虚拟内存都必须有物理内存支撑。

Kconfig 选项

必选项

内核支持虚拟内存所需启用或定义的 Kconfig 选项如下。

可选项

  • CONFIG_KERNEL_DIRECT_MAP：允许虚拟地址与物理地址之间采用 1:1 映射，而非由内核在虚拟地址空间中选择地址。这适合用于映射设备 MMIO 区域，以便更精确地控制访问。

内存映射概览

以下概述虚拟地址空间的内存布局。注意，代码中的 Z_* 宏可能随架构和 Kconfig 配置而具有不同含义，下面会具体说明。

+--------------+ <- K_MEM_VIRT_RAM_START
| Undefined VM | <- architecture specific reserved area
+--------------+ <- K_MEM_KERNEL_VIRT_START
| Mapping for  |
| main kernel  |
| image        |
|              |
|              |
+--------------+ <- K_MEM_VM_FREE_START
|              |
| Unused,      |
| Available VM |
|              |
|..............| <- grows downward as more mappings are made
| Mapping      |
+--------------+
| Mapping      |
+--------------+
| ...          |
+--------------+
| Mapping      |
+--------------+ <- memory mappings start here
| Reserved     | <- special purpose virtual page(s) of size K_MEM_VM_RESERVED
+--------------+ <- K_MEM_VIRT_RAM_END

  • K_MEM_VIRT_RAM_START 是虚拟地址空间的起点，必须按页对齐。目前它与 CONFIG_KERNEL_VM_BASE 相同。

  • K_MEM_VIRT_RAM_SIZE 是虚拟地址空间的大小，必须按页对齐。目前它与 CONFIG_KERNEL_VM_SIZE 相同。

  • K_MEM_VIRT_RAM_END 就是（K_MEM_VIRT_RAM_START + K_MEM_VIRT_RAM_SIZE）。

  • K_MEM_KERNEL_VIRT_START 与链接器脚本中指定的 z_mapped_start 相同，表示启动时内核映像起点的虚拟地址。

  • K_MEM_KERNEL_VIRT_END 与链接器脚本中指定的 z_mapped_end 相同，表示启动时内核映像末尾的虚拟地址。

  • K_MEM_VM_FREE_START 是可供内存映射分配地址的虚拟地址区域起点，其值取决于是否启用了 CONFIG_ARCH_MAPS_ALL_RAM。

    • 如果启用了该选项，说明所有物理内存均已映射到虚拟地址空间中，该值就等于（DT_CHOSEN_SRAM_ADDR + DT_CHOSEN_SRAM_SIZE）。

    • 如果未启用该选项，K_MEM_VM_FREE_START 与 K_MEM_KERNEL_VIRT_END 相同，即内核映像的末尾。

  • K_MEM_VM_RESERVED 是为支持内核功能而保留的区域，例如为按需分页保留部分地址。

虚拟内存映射

启动时建立映射

一般而言，大多数受支持的架构会在启动时建立以下内存映射：

  • .text 段只读且可执行，内核模式和用户模式均可访问。

  • .rodata 段只读且不可执行，内核模式和用户模式均可访问。

  • 其他内核段，如 .data、.bss 和 .noinit，可读写但不可执行，仅内核模式可访问。

    • 创建线程时，会自动授予相应用户模式线程对其栈的读写权限。

    • 默认情况下，用户模式线程无法访问全局变量。如何在用户模式线程中使用全局变量，以及在线程之间共享数据，请参阅 内存域与分区。

这些映射的缓存模式取决于架构，可以是无缓存、回写或直写。

注意，SoC 还会有启动所需的附加映射，定义于各自的 SoC 配置中。这些映射通常包括初始化硬件所需的设备 MMIO 区域。

映射匿名内存

未使用的物理内存可以按需映射到虚拟地址空间。从概念上看，这类似于从堆中分配内存，但映射必须按页大小对齐，且具有更精细的访问控制。

  • 可以使用 k_mem_map() 映射未使用的物理内存：

    • 请求大小必须为页大小的倍数。

    • 返回地址位于 K_MEM_VM_FREE_START 与 K_MEM_VIRT_RAM_END 之间的虚拟地址空间中。

    • 映射区域不保证在物理内存中连续。

    • 内核会自动在映射虚拟区域紧邻的前后位置分配保护页，用于捕获缓冲区下溢或上溢导致的访问问题。

  • 可以通过 k_mem_unmap() 解除映射，即释放映射区域：

    • 务必向 k_mem_map() 和 k_mem_unmap() 传入相同的区域大小。解除映射函数在操作前不会检查该区域是否为有效映射。

API 参考

Kernel Memory Management