3. 内核启动第二阶段：setup_arch 与早期内存布局

当内核解压完成并进入 start_kernel 后，第一个关键架构初始化函数是 setup_arch。该函数负责建立处理器与内存子系统之间的基础通信桥梁，为后续设备驱动加载时的 DMA 初始化提供物理内存视图。本节将深入剖析 setup_arch 的执行流程、早期内存布局的建立机制，以及它们如何影响 DMA 地址空间的划分。

3.1 setup_arch 的核心职责

setup_arch 是架构相关的初始化入口，在 ARM64 架构中通常位于 arch/arm64/kernel/setup.c。其主要任务包括：

• 解析引导参数：从 DTB（设备树）或 ACPI 表中提取内存节点、保留内存区域、DMA 范围等信息。
• 建立早期页表：为内核线性映射区域（如 vmalloc 区域、固定映射区域）创建一级/二级页表。
• 初始化内存节点：调用 early_fixmap_init、early_ioremap_init 等函数，建立早期 I/O 映射。
• 注册物理内存区域：将 DTB 中描述的物理内存块注册到 memblock 分配器中。
• 保留关键内存区域：为内核代码段、数据段、初始页表、DMA 预留缓冲区等标记保留区域。

3.2 早期内存布局的建立流程

早期内存布局的建立遵循“先收集、后映射、再保留”的三步策略。以下流程图展示了 ARM64 架构下的典型执行序列：

3.3 memblock 分配器：DMA 预留的唯一窗口

在伙伴系统（Buddy System）激活之前，memblock 是内核中唯一的内存分配器。它维护两个核心数据结构：

• memblock.memory：记录所有可用的物理内存区域（类型为 struct memblock_region）。
• memblock.reserved：记录所有已被保留的内存区域，这些区域将不会进入伙伴系统。

设备驱动在早期初始化阶段（如 arch_initcall 或 subsys_initcall）可以通过以下 API 预留 DMA 缓冲区：

// 预留连续的物理内存区域，用于 DMA 一致性映射
void *memblock_alloc(phys_addr_t size, phys_addr_t align);

// 在指定物理地址范围内预留内存
phys_addr_t memblock_phys_alloc_range(phys_addr_t size,
                                      phys_addr_t align,
                                      phys_addr_t start,
                                      phys_addr_t end);

// 标记指定物理地址区间为保留
int memblock_reserve(phys_addr_t base, phys_addr_t size);

3.4 早期内存布局与 DMA 地址空间划分

在 setup_arch 完成后，典型的 ARM64 早期内存布局如下表所示。DMA 相关的区域（如 DMA zone、DMA32 zone）的边界在此阶段被确定。

3.5 设备树中的 DMA 描述与解析

设备驱动在早期初始化阶段需要从 DTB 中获取 DMA 相关信息。setup_arch 调用 early_init_dt_scan 系列函数解析以下关键属性：

• dma-ranges：描述设备可访问的 DMA 地址范围，用于设置 struct device->dma_pfn_offset。
• dma-coherent：标记设备是否支持硬件一致性（无需软件 cache 同步）。
• memory-region：指向预留内存区域（通过 reserved-memory 节点定义），用于驱动专用 DMA 池。

以下是一个典型的设备树片段，展示了如何为 DMA 设备预留专用缓冲区：

/ {
    reserved-memory {
        #address-cells = <2>;
        #size-cells = <2>;
        ranges;

        /* 为网卡预留 64MB DMA 缓冲区 */
        eth_dma_region: eth-dma@80000000 {
            compatible = "shared-dma-pool";
            reg = <0x0 0x80000000 0x0 0x04000000>;
            no-map;  /* 不映射到内核线性空间 */
        };
    };

    ethernet@1c00000 {
        compatible = "vendor,eth-controller";
        reg = <0x0 0x1c00000 0x0 0x1000>;
        memory-region = <&eth_dma_region>;
        dma-coherent;
    };
};

3.6 早期内存布局对 DMA 初始化的影响

setup_arch 建立的早期内存布局直接影响后续 DMA 子系统的初始化行为：

1. DMA zone 大小：由 arm64_dma_phys_limit 决定，该值在 setup_arch 中根据 DTB 的 dma-ranges 或默认架构限制计算得出。
2. memblock 保留区域：所有在 setup_arch 中通过 memblock_reserve 标记的区域，在伙伴系统初始化时会被自动排除，确保 DMA 缓冲区不会被普通内存分配占用。
3. IOMMU 映射基础：如果系统包含 SMMU/IOMMU，其页表基地址和映射范围也在早期内存布局中确定，为后续 iommu_dma_ops 的注册提供物理内存支持。

下图展示了早期内存布局与 DMA 初始化之间的依赖关系：

3.7 常见问题与调试方法

在早期内存布局阶段，DMA 初始化可能遇到以下典型问题：