第三章：内存映射核心概念

做BSP开发这些年，我最大的体会就是——内存映射这关过不了，后面全是坑。你想想看，CPU要访问外设寄存器、要读写DDR，总得知道地址在哪吧？但这里头有个关键问题：CPU用的是虚拟地址，硬件只认物理地址。怎么把这两者对上？这就是我们今天要聊的核心。

3.1 物理地址与虚拟地址

先说个最基础的概念。物理地址就是硬件实实在在的地址，比如你板子上挂了个UART，它的寄存器就在0x10000000这个物理位置。虚拟地址呢？是CPU给软件看的假地址。每个进程都以为自己独占4GB空间，其实都是假的。

我记得刚入行那会儿，调试一个DMA驱动，死活传不对数据。查了两天，最后发现是DMA控制器只能访问物理地址，而我传了个虚拟地址进去。嗯，这种低级错误，犯过一次就再也不会忘了。

关键区别：

物理地址：硬件总线上的真实地址，由SoC设计决定
虚拟地址：CPU MMU翻译后的地址，每个进程独立
总线地址：外设视角看到的地址，有时和物理地址不同

在设备树里，我们通常用reg属性来描述物理地址范围。比如：

uart@10000000 {
    compatible = "ns16550";
    reg = <0x0 0x10000000 0x0 0x1000>;
    interrupts = <0 33 4>;
};

这里的0x10000000就是物理地址，长度0x1000。驱动里通过of_iomap()拿到的是虚拟地址，但背后MMU已经帮你做好了映射。

3.2 MMU工作原理

MMU说白了就是个地址翻译器。CPU发出虚拟地址，MMU查页表，找到对应的物理地址，然后去访问内存。这个过程叫「地址翻译」。

我画了个简图，帮你理解这个流程：

这里有个关键点：MMU不是每次翻译都去查内存里的页表，那样太慢了。它有个小缓存叫TLB，专门存最近用过的翻译结果。我调试过一个性能问题，就是TLB miss率太高，后来通过修改内核页表大小解决了。

我的经验：在BSP开发中，你不需要完全搞懂MMU的每个细节，但必须知道：

设备树里配的地址是物理地址
驱动里访问的是虚拟地址
DMA必须用物理地址

3.3 内存映射的层次结构

Linux内核把虚拟地址空间分成了几个区。我习惯这么记：

区域	虚拟地址范围	用途
用户空间	0x00000000 - 0xBFFFFFFF	应用程序、libc、堆栈
内核空间	0xC0000000 - 0xFFFFFFFF	内核代码、驱动、页表
vmalloc区	0xF8000000 - 0xFFFFFFFF	动态映射、大块内存
固定映射区	0xFFFF0000 - 0xFFFF0FFF	中断向量表等

在设备树里，我们经常要处理「内存映射的层次」。比如一个GPU驱动，它可能需要：

映射一大片连续物理内存给GPU用（DMA内存）
映射几个控制寄存器（MMIO）
映射中断控制器（GIC）

这些映射在设备树里就是不同的reg条目：

gpu@18000000 {
    compatible = "arm,mali-midgard";
    reg = <0x0 0x18000000 0x0 0x4000>,   // 寄存器
          <0x0 0x20000000 0x0 0x10000000>; // GPU内存
    interrupts = <0 34 4>, <0 35 4>, <0 36 4>;
};

我曾经遇到一个坑：某个外设的寄存器地址在0x18000000，但它的DMA缓冲区却在0x20000000。驱动里如果混用这两个地址，数据就全乱了。所以，一定要搞清楚每个reg条目对应什么。

3.4 Cache与Buffer策略

Cache和Buffer，这两个东西搞不清楚，调试驱动时会疯掉。我简单说说：

Cache：CPU内部的高速缓存，存的是数据副本。读的时候先看Cache，没有才去内存。
Buffer：一般是写操作的缓冲，比如写合并、写缓冲。

在设备树里，我们通过dma-coherent属性或者dma-ranges来控制Cache策略。举个例子：

// 这个设备需要Cache一致性
ethernet@20000000 {
    compatible = "snps,dwmac";
    reg = <0x0 0x20000000 0x0 0x2000>;
    dma-coherent;  // 告诉内核：硬件自己维护Cache一致性
};

// 这个设备不需要Cache
uart@10000000 {
    compatible = "ns16550";
    reg = <0x0 0x10000000 0x0 0x1000>;
    // 没有dma-coherent，默认使用non-cacheable映射
};

注意：如果外设和CPU共享内存（比如网卡的DMA缓冲区），必须处理好Cache一致性问题。否则会出现：CPU写了一个数据，但DMA读到的还是旧数据。我曾经调试一个网络丢包问题，查了三天才发现是Cache没刷。

我个人习惯的做法是：

对于寄存器映射，一律用ioremap()，它默认是non-cacheable的
对于DMA缓冲区，用dma_alloc_coherent()，它保证Cache一致性
如果必须用Cacheable映射，记得在DMA传输前后调用dma_map_single()和dma_unmap_single()

嗯，这里还要提一下页表属性。在ARM64上，页表条目里有个字段叫AttrIndx，它决定了这块内存的Cache策略。设备树里的dma-coherent最终就是通过修改这个字段来实现的。

总结一下我的经验：

物理地址是硬件的，虚拟地址是软件的，MMU是桥梁
设备树里配地址，驱动里用地址，中间MMU帮你翻译
Cache策略搞错了，轻则性能差，重则数据错乱
调试内存问题，先看设备树，再看驱动，最后查MMU配置

说实话，内存映射这块内容，光看书是学不会的。我建议你找个开发板，自己改改设备树，看看不同映射策略对性能的影响。踩过几个坑，自然就懂了。