Linux内核中采用了通用的四级分页模型，这种模型不仅适合32位系统也适合64位系统。分页单元是MMU(内存管理单元)中的一部分，它将线性地址转换为物理地址。本文通过一个内核模块程序模拟内核中虚拟地址转换为物理地址的过程，有关分页机制的原理可以参见这里的文章。

static void get_pgtable_macro(void)
{
	printk("PAGE_OFFSET = 0x%lx\n", PAGE_OFFSET);
	printk("PGDIR_SHIFT = %d\n", PGDIR_SHIFT);
	printk("PUD_SHIFT = %d\n", PUD_SHIFT);
	printk("PMD_SHIFT = %d\n", PMD_SHIFT);
	printk("PAGE_SHIFT = %d\n", PAGE_SHIFT);

	printk("PTRS_PER_PGD = %d\n", PTRS_PER_PGD);
	printk("PTRS_PER_PUD = %d\n", PTRS_PER_PUD);
	printk("PTRS_PER_PMD = %d\n", PTRS_PER_PMD);
	printk("PTRS_PER_PTE = %d\n", PTRS_PER_PTE);

	printk("PAGE_MASK = 0x%lx\n", PAGE_MASK);
}

static unsigned long vaddr2paddr(unsigned long vaddr)
{
	pgd_t *pgd;
	pud_t *pud;
	pmd_t *pmd;
	pte_t *pte;
	unsigned long paddr = 0;
        unsigned long page_addr = 0;
	unsigned long page_offset = 0;

	pgd = pgd_offset(current->mm, vaddr);
	printk("pgd_val = 0x%lx\n", pgd_val(*pgd));
	printk("pgd_index = %lu\n", pgd_index(vaddr));
	if (pgd_none(*pgd)) {
		printk("not mapped in pgd\n");
		return -1;
	}

	pud = pud_offset(pgd, vaddr);
	printk("pud_val = 0x%lx\n", pud_val(*pud));
	if (pud_none(*pud)) {
		printk("not mapped in pud\n");
		return -1;
	}

	pmd = pmd_offset(pud, vaddr);
	printk("pmd_val = 0x%lx\n", pmd_val(*pmd));
	printk("pmd_index = %lu\n", pmd_index(vaddr));
	if (pmd_none(*pmd)) {
		printk("not mapped in pmd\n");
		return -1;
	}

	pte = pte_offset_kernel(pmd, vaddr);
	printk("pte_val = 0x%lx\n", pte_val(*pte));
	printk("pte_index = %lu\n", pte_index(vaddr));
	if (pte_none(*pte)) {
		printk("not mapped in pte\n");
		return -1;
	}

	//页框物理地址机制 | 偏移量
	page_addr = pte_val(*pte) & PAGE_MASK;
	page_offset = vaddr & ~PAGE_MASK;
	paddr = page_addr | page_offset;
	printk("page_addr = %lx, page_offset = %lx\n", page_addr, page_offset);
        printk("vaddr = %lx, paddr = %lx\n", vaddr, paddr);

	return paddr;
}

static int __init v2p_init(void)
{
	unsigned long vaddr = 0;

	printk("vaddr to paddr module is running..\n");
	get_pgtable_macro();
	printk("\n");

	vaddr = (unsigned long)vmalloc(1000 * sizeof(char));
	if (vaddr == 0) {
		printk("vmalloc failed..\n");
		return 0;
	}
	printk("vmalloc_vaddr=0x%lx\n", vaddr);
	vaddr2paddr(vaddr);

	printk("\n\n");
	vaddr = __get_free_page(GFP_KERNEL);
	if (vaddr == 0) {
		printk("__get_free_page failed..\n");
		return 0;
	}
	printk("get_page_vaddr=0x%lx\n", vaddr);
	vaddr2paddr(vaddr);

	return 0;
}

static void __exit v2p_exit(void)
{
	printk("vaddr to paddr module is leaving..\n");
        vfree((void *)vaddr);
        free_page(vaddr);
}

整个程序的结构如下：

1.get_pgtable_macro()打印当前系统分页机制中的一些宏。

2.通过vmalloc()在内核空间中分配内存，调用vaddr2paddr()将虚拟地址转化成物理地址。

3.通过__get_free_pages()在内核空间中分配页框，调用vaddr2paddr()将虚拟地址转化成物理地址。

4.分别通过vfree()和free_page()释放申请的内存空间。

vaddr2paddr()的执行过程如下：

1.通过pgd_offset计算页全局目录项的线性地址pgd，传入的参数为内存描述符mm和线性地址vaddr。接着打印pgd所指的页全局目录项。

2.通过pud_offset计算页上级目录项的线性地址pud，传入的参数为页全局目录项的线性地址pgd和线性地址vaddr。接着打印pud所指的页上级目录项。

3.通过pmd_offset计算页中间目录项的线性地址pmd，传入的参数为页上级目录项的线性地址pud和线性地址vaddr。接着打印pmd所指的页中间目录项。

4.通过pte_offset_kernel计算页表项的线性地址pte，传入的参数为页中间目录项的线性地址pmd和线性地址vaddr。接着打印pte所指的页表项。

5.pte_val(*pte)先取出页表项，与PAGE_MASK相与的结果是得到要访问页的物理地址；vaddr&~PAGE_MASK用来得到线性地址offset字段；两者或运算得到最终的物理地址。

6.打印物理地址。

本文将通过一些简单的内核模块程序，显示一个进程的所有内存区域。通过此程序理解进程的整个地址空间与内存区域之间的关系。

打印内存区域

上文中，我们通过打印某个进程的maps文件来查看某个进程的内存区域。如果你理解了进程，进程的用户空间，内存区域三者之间的关系，那么就可以通过内核模块的方式打印指定进程的内存区域。

通过在内核模块加载函数中调用下述函数，来打印当前进程的内存区域。首先通过全局变量current获得当前进程的mm字段，该字段指向当前进程的用户空间（mm_struct）；由于多个内存区域（vm_area_struct）是通过一个双链表（最新内核中）链接在一起的，所以在接下来的for循环当中，依次遍历各个内存区域，打印当前内存区域的起始地址和终止地址，并且打印内核对该区域的操作权限。完整代码在这里。

static void list_myvma(void)
{
	struct mm_struct *mm = current->mm;
	struct vm_area_struct *vma;

	printk("list vma..\n");
        //print the current process's name and pid
	printk("current:%s pid:%d\n",current->comm,current->pid);

	down_read(&mm->mmap_sem);
	//vma is a linklist
	for(vma = mm->mmap; vma; vma = vma->vm_next)
	{
		//from the begining to the ending of a virtual memory area
		printk("0x%lx-0x%lx ",vma->vm_start,vma->vm_end);
		//check the flags of this VMA
		if(vma->vm_flags & VM_READ)
			printk("r");
		else
			printk("-");

		if(vma->vm_flags & VM_WRITE)
			printk("w");
		else
			printk("-");

		if(vma->vm_flags & VM_EXEC)
			printk("x");
		else
			printk("-");

		if(vma->vm_flags & VM_SHARED)
			printk("s");
		else
			printk("p");

	        printk("\n");

	}
	up_read(&mm->mmap_sem);
}

试一下吧！