32位系统有HIGHMEM_ZONE而64位没有HIGHMEM_ZONE的原因

查阅过很多的blog或者相关书，都说64位系统的空间足够所以不需要HIGHMEM ZONE，对于这句话一直是一知半解，今天仔细看了下相关的config，理解如下：

高端内存的由来：

在32位系统中总的地址空间是4GB，按照地址划分3G~4G为内核空间，0~3G为用户空间，此时PAGE_OFFSET为0xC0000000.如果物理内存的size为4GB，则后面3GB内核就无法访问，为了满足此要求，在内核1GB空间分出了一定的空间来进行映射。

Linux将内核地址空间划分为三部分ZONE_DMA、ZONE_NORMAL和ZONE_HIGHMEM，以手上某平台2GB RAM，32位系统的手机为例，通过开机的kernel log可以看到系统虚拟内存的映射如下：

[    0.000000] <0>    vector  : 0xffff0000 - 0xffff1000   (   4 kB)
[    0.000000] <0>    fixmap  : 0xffc00000 - 0xfff00000   (3072 kB)
[    0.000000] <0>    vmalloc : 0xe1000000 - 0xff800000   ( 488 MB)
[    0.000000] <0>    lowmem  : 0xc0000000 - 0xe0800000   ( 520 MB)
[    0.000000] <0>    pkmap   : 0xbfe00000 - 0xc0000000   (   2 MB)
[    0.000000] <0>    modules : 0xbf000000 - 0xbfe00000   (  14 MB)
[    0.000000] <0>      .text : 0xc0008000 - 0xc1000000   (16352 kB)
[    0.000000] <0>      .init : 0xc1600000 - 0xc1800000   (2048 kB)
[    0.000000] <0>      .data : 0xc1800000 - 0xc19a273c   (1674 kB)
[    0.000000] <0>       .bss : 0xc19a4000 - 0xc2545924   (11911 kB)

可以看到kernel空间的起始地址为0xC0000000也就是PAGE_OFFSET的值，而kernel的text段起始地址为0xC0008000的起始地址，也就是说TEXT_OFFSET为0x8000，而通过kernel的代码发现从0xC0000000~0xe0800000为低端内存区，也就是zone里面的normal zone，在低端内存区，内核地址映射采用的是一一映射的方法，将物理地址加上偏移，一一映射到线性地址空间，具体映射方法为x - PHYS_OFFSET + PAGE_OFFSET，这样kernel可以随时访问normal zone和DMA zone(如果有)。而高端内存区的范围为0xffffffff~0xe0800000。但是这里只是高端内存区而不是HIGHMEM ZONE，ZONE的大小实际为总的memory大小减掉normal zone的大小，其计算将在另外一篇文章中讲述。

高端内存HIGH_MEM地址空间范围为0xe0800000~ 0xffffffff（520MB～1024MB）。此时的剩下的504MB线性地址空间无法完全映射整个HIGHMEM ZONE，那么内核是如何借助504MB高端内存地址空间访问整个HIGHMEM ZONE呢？Linux采用动态映射的方法，从0xe0800000~ 0xffffffff地址空间范围内找一段相应大小空闲的逻辑地址空间，借用一会。借用这段逻辑地址空间，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，虽然存在效率问题，但是起码实现了使用有限的地址空间，访问所有所有物理内存。以下是手机物理内存实际的映射示意图：

例如内核想访问2G开始的一段大小为1MB的物理内存，即物理地址范围为0x80000000 ~ 0x800FFFFF。访问之前先找到一段1MB大小的空闲地址空间，假设找到的空闲地址空间为0xF8700000 ~ 0xF87FFFFF，用这1MB的逻辑地址空间映射到物理地址空间0x80000000 ~ 0x800FFFFF的内存。映射关系如下：

逻辑地址         物理内存地址
0xF8700000 0x80000000
0xF8700001 0x80000001
0xF8700002 0x80000002
… …

0xF87FFFFF 0x800FFFFF

从上面的描述，我们可以知道高端内存的最基本思想：借一段地址空间，建立临时地址映射，用完后释放，达到这段地址空间可以循环使用，访问所有物理内存。

而在64位系统当中，以ARM64为例：

PAGE_OFFSET=0xffffffc000000000.

PHY_OFFSET=0x40000000.

PAGE_OFFSET为内核地址空间开始的地址，也可以理解为是内核空间和用户空间的分界线，PHY_OFFSET则为物理地址的偏移量。

比如一个4G的memory，则其物理地址范围为0x40000000~0x13fffffff，这个地址会一一映射到0xffffffc000000000 ~0xffffffc100000000的区域。

而内核从0xffffffc000000000开始的所有地址都可以被内核空间访问到，计算一下就是256GB的空间，现阶段基本可以访问到所有的物理地址空间，所以不需要有HIGHMEM ZONE。