2. 嵌入式内存管理基础

做驱动开发，尤其是涉及到DMA、大块连续内存分配时，你迟早得跟Linux内存管理架构打交道。很多新手一上来就啃mm/page_alloc.c，结果被各种链表和位图搞晕。其实，理解这套架构的关键，是搞清楚三个层次：Node（节点）、Zone（区域）、Page Frame（页帧）。

说白了，Linux把物理内存当成一个“树状仓库”来管。最顶层是Node，对应物理上的NUMA节点；中间层是Zone，按内存的用途和属性分区；最底层是Page Frame，也就是4KB（或更大）的物理页框。我当年第一次接触NUMA机器时，发现内存分配竟然有“远近亲疏”，着实花了不少时间才适应。

2.1 内存节点（Node）—— NUMA的基石

先说说Node。在单核或小型SMP系统里，所有CPU访问内存的速度是一样的，这种架构叫UMA（Uniform Memory Access）。但在服务器和高端嵌入式多核芯片里，CPU和内存之间不是对等的——每个CPU离自己“最近”的那块内存访问最快，离得远的就慢。这就是NUMA（Non-Uniform Memory Access）。

Linux用struct pglist_data（简称pg_data_t）来描述一个内存节点。每个节点管理自己那一亩三分地。你可以在/sys/devices/system/node/下看到系统有哪些节点。

// 每个内存节点对应一个 pg_data_t
typedef struct pglist_data {
    struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES];  // 该节点包含的Zone数组
    struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS]; // 备用Zone列表（分配时的fallback顺序）
    int nr_zones;                           // 该节点实际Zone数量
    unsigned long node_start_pfn;           // 该节点起始页帧号
    unsigned long node_present_pages;       // 物理页总数
    unsigned long node_spanned_pages;       // 总跨度（含空洞）
    int node_id;                            // 节点ID
    // ... 还有页面回收、kswapd相关字段
} pg_data_t;

我在调试一款ARM64多核SoC时遇到过一个问题：4个CPU cluster，每个cluster有自己的内存控制器，但Linux只识别成一个Node。后来发现是UEFI的SRAT表没配好，导致NUMA信息丢失。嗯，这里要注意：嵌入式设备不一定都跑NUMA，很多单核或同构多核SoC其实只有一个Node，但代码里依然用Node的概念来组织，只是nr_node_ids为1而已。

2.2 内存区域（Zone）—— 按用途分区

每个Node内部，内存又被划分成若干个Zone。为什么要分区？因为不同硬件模块对内存地址有不同要求。比如DMA控制器只能访问低16MB或低4GB，内核映射需要直接访问的线性区，等等。

Linux定义了以下几种Zone（以x86-64和ARM64常见配置为例）：

每个Zone由struct zone描述，里面最核心的是free_area数组——这是Buddy System（伙伴系统）的根基。

struct zone {
    unsigned long watermark[NR_WMARK];  // 水位线：min/low/high
    long lowmem_reserve[MAX_NR_ZONES];  // 各Zone的保留页
    struct pglist_data *zone_pgdat;     // 所属Node
    struct per_cpu_pageset __percpu *pageset; // 每CPU页缓存
    // 伙伴系统的核心：每个order一个链表
    struct free_area free_area[MAX_ORDER];
    unsigned long _watermark[NR_WMARK];
    // ... 还有大量统计和回收字段
};

水位线（watermark）是Zone里一个非常重要的概念。它决定了内存分配是走“快速通道”还是触发回收。我习惯把这三个水位线记成：

• WMARK_MIN：底线，低于这个值只能让kswapd内核线程去抢内存
• WMARK_LOW：低水位，kswapd开始异步回收
• WMARK_HIGH：高水位，kswapd可以歇着了

为什么会这样设计？你想想看，如果每次分配内存都同步回收，那系统性能会急剧下降。所以Linux用水位线做“提前预警”——水位降到Low时，kswapd就开始干活，尽量让水位回到High以上。

2.3 页帧（Page Frame）—— 最小的管理单元

页帧，就是物理内存的最小管理单位。在Linux里，每个物理页帧对应一个struct page。这个结构体非常精巧，它用union把各种用途的字段塞进40字节（64位系统）里。

struct page {
    unsigned long flags;          // 页状态标志（PG_locked, PG_dirty等）
    atomic_t _refcount;           // 引用计数
    atomic_t _mapcount;           // 映射计数（被多少个页表映射）
    unsigned long private;        // 私有数据（不同用途含义不同）
    struct address_space *mapping; // 所属地址空间（文件页/匿名页）
    pgoff_t index;                // 在文件或交换区中的偏移
    struct list_head lru;         // LRU链表节点（用于页面回收）
    void *virtual;                // 内核虚拟地址（若已映射）
    // ... 更多union成员
};

每个物理页帧都有一个唯一的页帧号（PFN，Page Frame Number）。PFN从0开始，按物理地址顺序递增。PFN和物理地址的换算很简单：

// 物理地址 = PFN × PAGE_SIZE
// PFN = 物理地址 >> PAGE_SHIFT
#define page_to_pfn(page)   ((unsigned long)((page) - mem_map) + ARCH_PFN_OFFSET)
#define pfn_to_page(pfn)    (mem_map + ((pfn) - ARCH_PFN_OFFSET))

2.4 三者的关系：一张图说清楚

下面这张SVG图展示了Node、Zone、Page Frame之间的层级关系，以及Buddy System如何把连续页帧组织成不同order的块。

void *buf = kmalloc(8192, GFP_KERNEL);  // 申请8KB连续内存