RT-Smart页初始化相关功能及物理页分配算法伙伴系统的实现
想要对 RT-Smart 的物理页内存管理功能有所了解，需要熟悉相关代码：
RT-Smart 页初始化相关功能
物理页分配算法伙伴系统的实现
物理页管理初始化
在系统初始化早期，会先执行 rt_page_init 函数来对物理页管理所需要的数据结构进行初始化，下面是对这段代码的详细解释：
1#defineARCH_PAGE_SHIFT12
2#defineARCH_PAGE_SIZE(1<< ARCH_PAGE_SHIFT)
3#define ARCH_PAGE_MASK (ARCH_PAGE_SIZE - 1) /* b 1111 1111 1111 */
4/* 从这 PAGE_START PAGE_END 可以看出，分配给物理页的地址是从 KERNEL_VADDR_START 开始的第 16M 到 128M 之间 */
5#define HEAP_END (void*)(KERNEL_VADDR_START + 16 * 1024 * 1024)
6#define PAGE_START HEAP_END
7#define PAGE_END (void*)(KERNEL_VADDR_START + 128 * 1024 * 1024)
8static struct page *page_list[ARCH_PAGE_LIST_SIZE];
9/* 传入给页初始化函数的结构体，存储了物理页管理的地址范围 */
10rt_region_t init_page_region = {
11 (uint32_t)PAGE_START,
12 (uint32_t)PAGE_END,
13};
14/* 物理页管理数据结构 */
15struct page
16{
17 struct page *next; /* same level next */
18 struct page *pre; /* same level pre */
19 uint32_t size_bits; /* if is ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS, means not free */
20 int ref_cnt; /* page group ref count */
21};
22static struct page* page_start;
23static void* page_addr;
24static size_t page_nr;
25/* 实际执行物理页管理数据结构的初始化，默认物理页大小为 4K */
26void rt_page_init(rt_region_t reg)
27{
28 int i;
29 LOG_D("split 0x%08x 0x%08x
", reg.start, reg.end);
30 /* 调整物理内存的起始地址为 4K 对齐 */
31 reg.start += ARCH_PAGE_MASK;
32 reg.start &= ~ARCH_PAGE_MASK;
33 reg.end &= ~ARCH_PAGE_MASK;
34 /* 计算管理物理页所需数据结构所占用的内存空间，以及可以有多少可以被分配的物理页 */
35 {
36 /* 计算一个物理页也就是 4k 可以存放多少个 page 结构体 */
37 int nr = ARCH_PAGE_SIZE / sizeof(struct page);
38 /* 计算总共有多少个可用物理页 */
39 int total = (reg.end - reg.start) >>ARCH_PAGE_SHIFT;
40/*计算需要多少个页的内存用于存放管理页数据结构*/
41intmnr=(total+nr)/(nr+1);
42LOG_D("nr=0x%08x
",nr);
43LOG_D("total=0x%08x
",total);
44LOG_D("mnr=0x%08x
",mnr);
45page_start=(structpage*)reg.start;
46/*计算除去用于管理的内存页，可用于物理页分配的起始地址*/
47reg.start+=(mnr<< ARCH_PAGE_SHIFT);
48 page_addr = (void*)reg.start;
49 /* 计算有多少个物理页可供分配 */
50 page_nr = (reg.end - reg.start) >>ARCH_PAGE_SHIFT;
51}
52LOG_D("align0x%08x0x%08x
",reg.start,reg.end);
53/*初始化空闲page分配链表*/
54for(i=0;i< ARCH_PAGE_LIST_SIZE; i++)
55 {
56 page_list[i] = 0;
57 }
58 /* 初始化可供分配的物理页管理结构体 */
59 for (i = 0; i < page_nr; i++)
60 {
61 page_start[i].size_bits = ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS;
62 page_start[i].ref_cnt = 1;
63 }
64 /* 将所有可供分配的空闲页，使用伙伴算法加入到空闲链表 */
65 while (reg.start != reg.end)
66 {
67 struct page *p;
68 int align_bits;
69 int size_bits;
70 /* 计算合适的物理页大小 size_bits 值 */
71 size_bits = ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS - 1 - rt_clz(reg.end - reg.start);
72 align_bits = rt_ctz(reg.start);
73 if (align_bits < size_bits)
74 {
75 size_bits = align_bits;
76 }
77 /* 从实际物理页地址找到相应的管理页地址 */
78 p = addr_to_page((void*)reg.start);
79 p->size_bits=ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS;
80p->ref_cnt=1;
81/*将相应的管理页结构体加入到页空闲链表上，
82由此可以知道物理页空闲链表上挂接的是物理页的管理结构体*/
83_pages_free(p,size_bits-ARCH_PAGE_SHIFT);
84reg.start+=(1UL<< size_bits);
85 }
86}
物理页管理算法简介
伙伴系统在现代操作系统中被广泛地用于分配连续的物理内存页。其基本思想是将物理内存划分成连续的块，以块作为基本单位进行分配。不同块的大小可以不同，但每个块都由一个或多个连续的物理页组成，物理页的数量必须是 2 的 n 次幂（ 0 <= n < 预设的最大值），其中预设的最大值将决定能够分配的连续物理内存区域的最大大小，一般由开发者根据实际需要指定。
当一个请求需要分配 m 个物理页时，伙伴系统将寻找一个大小合适的块，该块包含 $2^n$ 个物理页，且满足 $2^{n-1} < m < 2^n$。在处理分配请求的过程中，大的块可以分裂成两半，即两个小一号的块，这两个块互为伙伴。分裂得到块可以继续分裂，直到得到一个大小合适的块去服务相应的分配请求。在一个块被释放后，分配器会找到其伙伴块，若伙伴块页处于空闲的状态，则将这两个伙伴块进行合并没形成一个大一号的空闲块，然后继续尝试向上合并。由分裂操作和合并操作都是级联的，因此能够很好地缓解外部碎片的问题。
下图表达了伙伴系统的基本思想，基于伙伴块进行分裂与合并。
伙伴系统实现
在 RT-Smart 系统中，使用空闲链表数组来实现伙伴系统。具体来说，全局有一个有序数组，数组的每一项指向一条空闲链表，每条链表将其对应大小的空闲块连接起来，一条链表中的空闲块大小相同。当接收到分配请求后，伙伴分配器首先算出应该分配多大的空闲块，然后查找对应的空闲链表。
想要了解物理页算法的实现过程，那就要熟悉物理页的申请和释放算法，也就是页面释放函数 _pages_free 和物理页申请函数 _pages_alloc。
物理页释放
1staticint_pages_free(structpage*p,uint32_tsize_bits) 2{ 3/*根据size_bits获取当前物理页的大小*/ 4uint32_tlevel=size_bits; 5uint32_thigh=ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS-size_bits-1; 6structpage*buddy; 7RT_ASSERT(p->ref_cnt>0); 8RT_ASSERT(p->size_bits==ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS); 9/*将该物理页的引用计数减一，如果引用计数不为0则直接返回*/ 10p->ref_cnt--; 11if(p->ref_cnt!=0) 12{ 13return0; 14} 15/*判断当前页大小是否比最大空闲页小，如果大小为最大空闲页，则直接将该页插入到最大空闲页链表*/ 16while(level< high) 17 { 18 /* 根据当前物理页的信息和级别，判断它的 buddy 是否存在 */ 19 buddy = buddy_get(p, level); 20 /* 如果当前物理页的 buddy 存在且级别与当前物理页相同，则将他们合并成为更高一级别的物理页 */ 21 if (buddy && buddy->size_bits==level) 22{ 23page_remove(buddy,level); 24p=(p< buddy) ? p : buddy; 25 level++; 26 } 27 else 28 { 29 /* buddy 不存在，则退出查找 */ 30 break; 31 } 32 } 33 /* 将指定级别的空闲页插入到空闲链表中 */ 34 page_insert(p, level); 35 return 1; 36}
物理页申请
通过上面的物理页释放与分配过程，就实现了 RT-Smart 系统中的物理页管理过程。
审核编辑：汤梓红
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原文标题：RT-Smart 物理页内存管理详解
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RT-Smart riscv64汇编注释
以rt-smart在全志D1上的代码为例，主要注释了rt-smart在riscv64上的系统初始化和异常处理的代码仓库地址https://gitee.com/rtthread/
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