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

本教程操作環(huán)境：linux5.9.8系統(tǒng)、Dell G3電腦。

1、什么是page frame？

操作系統(tǒng)最重要的作用之一就是管理計算機系統(tǒng)中的各種資源，做為最重要的資源：內(nèi)存，我們必須管理起來。在linux操作系統(tǒng)中，物理內(nèi)存是按照page size來管理的，具體page size是多少是和硬件以及l(fā)inux系統(tǒng)配置相關(guān)的，4k是最經(jīng)典的設(shè)定。因此，對于物理內(nèi)存，我們將其分成一個個按page size排列的page，每一個物理內(nèi)存中的page size的內(nèi)存區(qū)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來跟蹤每一個物理頁面的使用情況：是用于內(nèi)核的正文段？還是用于進(jìn)程的頁表？是用于各種file cache還是處于free狀態(tài)……

每一個page frame有一個一一對應(yīng)的page數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中定義了page_to_pfn和pfn_to_page的宏用來在page frame number和page數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體如何轉(zhuǎn)換是和memory modle相關(guān)，我們會在第三章詳細(xì)描述linux kernel中的3種內(nèi)存模型。

2、什么是PFN？

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

PFN是page frame number的縮寫，所謂page frame，就是針對物理內(nèi)存而言的，把物理內(nèi)存分成一個個的page size的區(qū)域，并且給每一個page 編號，這個編號就是PFN。假設(shè)物理內(nèi)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(shè)物理內(nèi)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(nèi)存映射的關(guān)系，物理內(nèi)存的0地址對應(yīng)到到系統(tǒng)上并不是物理地址的0。 例如：s3c2440上，內(nèi)存的地址是從0x30000000開始的。當(dāng)連接ram后，ram的0地址在s3c2440看來，就是0x30000000. 所以在系統(tǒng)中 pfn的值 應(yīng)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(zhuǎn)換成 physical address 才行。 所以在linux中有個宏定義 將內(nèi)核線性空間的虛擬地址和pfn轉(zhuǎn)換：

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

所以pfn在linux內(nèi)核中應(yīng)該對應(yīng)的是頁幀號?？梢酝ㄟ^簡單的轉(zhuǎn)換找到對應(yīng)的物理地址。

每個物理上的頁，內(nèi)核給與之分配了一個描述符來描述： page。 pfn可以和page進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

#define page_to_pfn __page_to_pfn #define pfn_to_page __pfn_to_page

所有的page結(jié)構(gòu)存放在mem_map中，方便進(jìn)行管理。

由于linux是將物理內(nèi)存分成4K大小的頁來進(jìn)行管理的。所以在軟件上也會設(shè)置MMU進(jìn)行匹配對應(yīng)。后面敘述。

linux將4G的虛擬空間分成了用戶空間和內(nèi)核空間。用戶空間是0—3G，內(nèi)核空間是3G—4G。 從內(nèi)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(tǒng)調(diào)用來能訪問內(nèi)核空間。