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作者：文松
链接：https://www.zhihu.com/question/280526042/answer/1615449221 来源：知乎 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。一、高端内存的由来（为什么需要高端内存）
在32位地址时代，最大可寻址0xFFFFFFFF，即4GB，因此虚拟地址空间有4GB，通常32位Linux内核地址空间划分0~3G为用户空间，3~4G为内核空间，即Linux内核虚拟地址空间只有1G。
32位地址空间
实际的计算机体系结构有硬件的限制，这约束了页框的使用方式，其中，Linux内核必须处理x86体系结构的两种硬件约束：
- ISA总线的直接内存存取（DMA）处理器有一个严格的限制：它们只能对RAM的前16MB地址进行寻址。
- 在具有大容量RAM的现代32位计算机中，CPU不能直接访问所有的物理内存，因为现行地址大小太小。
为了应对这种限制，对于x86机器，Linux内核将内存区域又被分为了3个管理区（zone）。
| 区域 | |
|---|---|
| ZONE_DMA | 低于16MB的内存空间 |
| ZONE_NORMAL | 16MB~895MB |
| ZONE_HIGHMEM | 896MB~物理内存结束 |
在内核或应用程序访问内存时，所操作的内存地址都为虚拟地址，而对应到真正的物理内存地址，需要地址一对一的映射。对于应用程序，虚拟地址到物理地址的转换需要MMU，而对于内核前两个管理区的内存空间被直接映射到虚拟地址空间中。
对于内核，直接映射时虚拟地址0xc0000003对应的物理地址为0x00000003，0xc0000004对应的物理地址为0x00000004。虚拟地址与物理地址有如下的对应关系：
物理地址 = 虚拟地址 – 0xC0000000
在Linux内核中，有虚拟地址向物理地址转换的宏：
__virt_to_phys
也是直接通过上面的对应关系计算而来~
如果按照上面所说的采用直接映射的方式，将内核1G的地址空间全部直接映射，就会发现内核只能访问1GB的物理内存，但是实际上我们的物理内存，往往是8G、16G，甚至更高，那么其他空间内核将无法访问和管控。所以必须要有一种灵活的方式，既减少开销，同时又让内核能够访问全部的物理内存，Linux高端内存十分必要。
Linux 规定“内核直接映射空间” 最多映射 896M 物理内存~
高端内存就是帮助我们访问除了直接映射的896MB物理内存之外的其他内存空间。
二、实现方式
内核是如何借助128MB高端内存地址空间是如何实现访问可以所有物理内存呢？
在《深入理解LINUX内核》中介绍了，内核可以采用三种不同的机制将页框映射到高端内存，分别叫做：
- 永久内存映射
- 临时内存映射
- 非连续内存分配
当内核想访问高于896MB物理地址内存时，从0xF8000000 ~ 0xFFFFFFFF地址空间范围内找一段相应大小空闲的虚拟地址空间，借用一会。
借用这段虚拟地址空间，建立映射到想访问的那段物理内存（即填充内核PTE页面表），临时用一会，用完后归还。这样别人也可以借用这段地址空间访问其他物理内存，实现了使用有限的地址空间，访问所有所有物理内存。
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