DMA 概念与讲解

---

一、Linux 物理内存区

Linux 内核将物理内存划分为 ZONE_DMA、ZONE_NORMAL 和 ZONE_HIGHMEM 的原则，主要基于以下核心因素：

---

1. 硬件兼容性与性能优化

ZONE_DMA（直接内存访问区）

• 目的：支持老旧 DMA 控制器（Direct Memory Access）的硬件设备。
• 硬件限制：
  许多早期 DMA 控制器（如 ISA 总线设备）仅能访问物理地址的低范围（通常为 0x00000000 ~ 0x00FFFFFF，即 16MB 或更低）。
  若设备 DMA 操作超出此范围，可能导致地址溢出或数据损坏。
• 内核策略：
  将物理内存的低地址段（如 0x00000000 ~ 896MB）保留为 ZONE_DMA，确保 DMA 设备可直接访问。

ZONE_NORMAL（普通内存区）

• 目的：存放内核核心数据和频繁访问的内存。
• CPU 架构优化：
  现代 CPU 的 MMU（内存管理单元）和缓存机制对低端内存的访问效率更高。
  内核代码、页表、全局数据结构（如 task_struct）需稳定且连续的物理内存，因此优先分配 ZONE_NORMAL。

ZONE_HIGHMEM（高端内存区）

• 目的：解决 32 位系统的物理内存寻址限制。
• 32 位系统限制：
  32 位系统的虚拟地址空间为 4GB，内核直接映射的物理内存范围通常为 0x00000000 ~ 0x7FFFFFFF（即 896MB）。
  超出部分（>896MB）无法直接映射到内核虚拟地址空间，需通过动态映射（如 vmalloc 或 kmap）访问，这部分称为 ZONE_HIGHMEM。
• 64 位系统差异：
  64 位系统的虚拟地址空间极大（如 128TB），可直接映射全部物理内存，因此 无需 ZONE_HIGHMEM。

---

2. 地址空间管理需求

直接映射区（Direct Mapping）

• ZONE_DMA + ZONE_NORMAL：
  内核启动时，物理内存的低地址段（如 0x00000000 ~ high_memory）被直接映射到内核虚拟地址空间（PAGE_OFFSET 起始）。
  此区域访问高效，无需复杂的地址转换。

动态映射区（High Memory）

• ZONE_HIGHMEM（仅 32 位）：
  物理内存超过直接映射范围的部分（high_memory ~），需通过临时映射（如 kmap_atomic）或页表切换访问。
  此区域访问效率较低，但扩展了可用内存上限。

---

3. 内存分配策略

连续物理内存分配（kmalloc）

• ZONE_DMA & ZONE_NORMAL：
  kmalloc() 分配的物理内存默认来自 ZONE_DMA 或 ZONE_NORMAL，保证连续性和低延迟，适用于 DMA、内核数据结构等场景。

非连续内存分配（vmalloc）

• ZONE_HIGHMEM（32 位）：
  vmalloc() 分配的虚拟内存可能映射到 ZONE_HIGHMEM，但物理页不要求连续，适用于大块内存或无需 DMA 的场景。

Slab 分配器与对象缓存

• 缓存亲和性：
  频繁访问的小对象（如 struct page）优先从 ZONE_NORMAL 分配，减少缓存失效。

---

4. 跨架构差异

系统架构	ZONE_DMA	ZONE_NORMAL	ZONE_HIGHMEM
32 位	低端内存（如 0~16MB）	中段内存（16MB~896MB）	高端内存（>896MB）
64 位	通常空闲或极小	覆盖几乎全部物理内存	不存在

---

5. 核心原则总结

Linux 内核划分内存区域的三大原则：

1. 硬件兼容性：
   适配 DMA 设备等硬件的地址限制。
2. 性能优化：
   优先保障内核高频访问区域的连续性和低延迟。
3. 地址空间高效利用：
   在 32 位系统中通过 ZONE_HIGHMEM 扩展可用内存，64 位系统则简化管理。

---

6. 现代系统的演变

• 64 位系统：
  因虚拟地址空间极大（如 48/57 位物理寻址），通常仅保留 ZONE_DMA 和 ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM 被淘汰。
• 大内存优化：
  对 NUMA（非统一内存访问）系统，Linux 进一步细分 ZONE_NORMAL 为多个内存节点（Node），优化局部性。

---

示例代码：查看内存区域信息

#include <linux/mm.h>
#include <linux/printk.h>

void print_memory_zones(void) {
    struct zone *zone;
    for_each_zone(zone) {
        pr_info("Zone: %s, Start: %lu KB, End: %lu KB
",
                zone->name,
                zone->zone_start_pfn << (PAGE_SHIFT - 10),
                (zone->zone_start_pfn + zone->spanned_pages) << (PAGE_SHIFT - 10));
    }
}

---

总结

Linux 内核通过划分 ZONE_DMA、ZONE_NORMAL 和 ZONE_HIGHMEM，实现了对硬件兼容性、性能及内存利用率的平衡。这种设计在 32 位系统中尤为重要，而在 64 位系统中则大幅简化，体现了操作系统对底层硬件的深刻理解和抽象能力。

参考

PCIe MMIO、DMA、TLP
【PCIe】PCIe配置空间与CPU访问机制

☆
   
 

Ctrl + Alt + V