为什么linux内存要分DMA区域，常规区域和高端内存区域？

Linux内核划分内存区域主要是由于历史遗留问题和硬件架构的限制：

DMA区域 (ZONE_DMA)

为什么存在：

· 早期ISA总线设备只能访问前16MB物理内存（24位地址总线限制）

· 某些老式DMA控制器只能访问前64KB或前16MB内存

· 确保这些老设备能够正常工作

用途：

· 分配给需要DMA操作的老式设备（声卡、网卡等）

· 防止这些设备因为无法访问内存而失败

常规区域 (ZONE_NORMAL)

为什么存在：

· 在32位系统中，内核虚拟地址空间有限（通常1GB）

· 这1GB空间需要直接映射到物理内存，称为线性映射或直接映射

· 这个直接映射区域就是ZONE_NORMAL

关键限制：

· 32位系统：内核空间1GB → 直接映射最大896MB

· 这896MB就是ZONE_NORMAL的大小

· 内核可以直接访问这个区域的物理内存，无需特殊映射

高端内存区域 (ZONE_HIGHMEM) - 32位系统的特殊产物

核心问题：

32位系统4GB虚拟地址空间分配：

复制代码

0-3GB：用户空间（每个进程独立）
3-4GB：内核空间（所有进程共享）

内核只有1GB虚拟地址空间，但物理内存可能超过1GB（如2GB、4GB）。

解决方案：

· ZONE_NORMAL（≤896MB）：永久映射到内核虚拟地址空间

· ZONE_HIGHMEM（＞896MB）：动态映射到内核虚拟地址空间

高端内存访问机制：

c 复制代码

// 临时映射高端内存页面
void *kmap(struct page *page);
void kunmap(struct page *page);

// 原子映射（中断上下文可用）
void *kmap_atomic(struct page *page);

64位系统的变化

在64位系统中，情况完全不同：

关键优势：

· 虚拟地址空间极其巨大（x86_64：128TB内核空间）

· 内核可以将所有物理内存直接线性映射

· ZONE_HIGHMEM 不再需要（64位Linux中已移除）

现代64位系统的典型区域：

c 复制代码

// x86_64架构
ZONE_DMA      : 0-16MB     // 兼容老设备
ZONE_DMA32    : 16MB-4GB   // 32位DMA设备
ZONE_NORMAL   : 4GB-64TB   // 大部分内存都在这里
// 注意：没有ZONE_HIGHMEM！

各区域的物理位置

在32位系统（4GB物理内存）中：

复制代码

物理地址空间：
0-16MB    : ZONE_DMA      (DMA区域)
16-896MB  : ZONE_NORMAL   (常规区域)
896MB-4GB : ZONE_HIGHMEM  (高端内存)
          ↑
          └── 超过896MB的部分需要特殊映射

内存分配的优先级

内核分配内存时按顺序尝试：

先尝试在指定的ZONE分配
如果失败，按照fallback顺序尝试其他ZONE
例如：ZONE_HIGHMEM → ZONE_NORMAL → ZONE_DMA

总结表格

区域 32位系统 64位系统主要用途

ZONE_DMA 0-16MB 0-16MB 老式DMA设备

ZONE_NORMAL 16-896MB 4GB以上内核直接访问的内存

ZONE_HIGHMEM 896MB以上不存在动态映射的大内存（32位专用）

ZONE_DMA32 通常无 16MB-4GB 32位DMA设备

为什么保留这种设计？

向后兼容：支持老硬件和32位系统
性能优化：直接映射区域访问更快
资源管理：确保特殊设备有可用内存
简化移植：统一的接口，底层实现不同

关键启示：ZONE_HIGHMEM主要是32位时代的临时解决方案，64位系统已基本解决这个问题。但DMA区域仍然保留，确保老设备的兼容性。