linux中什么是pfn

在linux中，pfn全称“page frame number”，是物理内存区域编号。“page frame”是针对物理内存而言的，把物理内存分成一个个的page size的区域，并且给每一个page编号，而这个编号就是PFN。

本教程操作环境：linux5.9.8系统、Dell G3电脑。

1、什么是page frame？

操作系统最重要的作用之一就是管理计算机系统中的各种资源，做为最重要的资源：内存，我们必须管理起来。在linux操作系统中，物理内存是按照page size来管理的，具体page size是多少是和硬件以及linux系统配置相关的，4k是最经典的设定。因此，对于物理内存，我们将其分成一个个按page size排列的page，每一个物理内存中的page size的内存区域我们称之page frame。我们针对每一个物理的page frame建立一个struct page的数据结构来跟踪每一个物理页面的使用情况：是用于内核的正文段？还是用于进程的页表？是用于各种file cache还是处于free状态……

每一个page frame有一个一一对应的page数据结构，系统中定义了page_to_pfn和pfn_to_page的宏用来在page frame number和page数据结构之间进行转换，具体如何转换是和memory modle相关，我们会在第三章详细描述linux kernel中的3种内存模型。

2、什么是PFN？

对于一个计算机系统，其整个物理地址空间应该是从0开始，到实际系统能支持的最大物理空间为止的一段地址空间。在ARM系统中，假设物理地址是32个bit，那么其物理地址空间就是4G，在ARM64系统中，如果支持的物理地址bit数目是48个，那么其物理地址空间就是256T。当然，实际上这么大的物理地址空间并不是都用于内存，有些也属于I/O空间（当然，有些cpu arch有自己独立的io address space）。因此，内存所占据的物理地址空间应该是一个有限的区间，不可能覆盖整个物理地址空间。不过，现在由于内存越来越大，对于32位系统，4G的物理地址空间已经无法满足内存的需求，因此会有high memory这个概念，后续会详细描述。

PFN是page frame number的缩写，所谓page frame，就是针对物理内存而言的，把物理内存分成一个个的page size的区域，并且给每一个page 编号，这个编号就是PFN。假设物理内存从0地址开始，那么PFN等于0的那个页帧就是0地址（物理地址）开始的那个page。假设物理内存从x地址开始，那么第一个页帧号码就是（x>>PAGE_SHIFT）。

PFN的取值范围是 0----（memory size >> 12）。

但是由于物理内存映射的关系，物理内存的0地址对应到到系统上并不是物理地址的0。 例如：s3c2440上，内存的地址是从0x30000000开始的。当连接ram后，ram的0地址在s3c2440看来，就是0x30000000.  所以在系统中 pfn的值 应该等于 （physical address - memory base address） >> 12 。

但是linux中，用的又都是虚拟地址，所以要先将 virtual address转换成 physical address 才行。 所以在linux中有个宏定义 将内核线性空间的虚拟地址和pfn转换：

#define virt_to_pfn(kaddr)	(__pa(kaddr) >> PAGE_SHIFT)   //__pa() 将虚拟地址转化成物理地址  
#define pfn_to_virt(pfn)	__va((pfn) << PAGE_SHIFT)

所以pfn在linux内核中应该对应的是页帧号。可以通过简单的转换找到对应的物理地址。

每个物理上的页，内核给与之分配了一个描述符来描述： page。 pfn可以和page进行转换：

#define page_to_pfn __page_to_pfn
#define pfn_to_page __pfn_to_page

所有的page结构存放在mem_map中，方便进行管理。

由于linux是将物理内存分成4K大小的页来进行管理的。所以在软件上也会设置MMU进行匹配对应。后面叙述。

linux将4G的虚拟空间分成了用户空间和内核空间。用户空间是0---3G，内核空间是3G---4G。 从内核空间可以访问到用户空间，但是从用户空间必须通过系统调用来能访问内核空间。

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