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【UEFI系列】EFI Memory Map内存映射 and type

news 2025/8/2 7:28:43

前言

memory map主要分为两个部分，一个是系统能用的memory，通常allocate的部分，能当作堆栈存放数据存放代码、系统能用的memory。另一部分就是IO空间，一些设备比如PCI设备用的部分（MMio），它们所处的其实是分散的地方，通过映射、映射到连续的一段内存空间。

内存硬件层面：
channel > DIMM > rank > chip > bank > row/column
一个channel槽一般设计为1~4个DIMM口，可供插入DIMM条，DIMM就是我们通常说的内存条。
一个DIMM分为2面，一面为一个Rank，一个Rank有多个chip颗粒（DDR），一个chip颗粒上有多层Bank，每层Bank又有横列column数列row。
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这里图上标SPD的实际上是EEPROM芯片，SPD是EEPROM存储的数据里面一项重要数据。

Memory Init

1.CAR: Cache as Ram，UEFI SEC最开始的CPU缓存当内存堆栈用
2.Init Memory Controler，内存插上去之后需要一些初始化和training才能使用。设备需要满足一些时序才能和CPU通信，内存需要满足一些比较复杂的时序。
3.read SPD with SMBUS, record delay of memory，用SMBUS去读内存的SPD，记录一些信息比如延时。但这个信息是需要修正的。
4.memory training, get Timing and Voltage of DIMM。Intel的话，training是在bios上运行的（intel提供的MRC code，发送一些信号，得到反馈，一直重复来调整延时和电压，得到一个比较准确的信息，然后记录下来）。AMD的话，自己有芯片去运行。
5.record memory info of HOB，PEI阶段存到HOB里去，DXE可以获取到。

Memory Management

地址空间在上电的时候回去检测是不是重启的。
如果是重启，有些设置是通过variable保存下来的，这些设置会被放到hob里。不是重启的话（可能是第一次刷板子开机）回去读默认值，再重启一次（这也就是为什么有些平台的CPU风扇开了又关然后又开）。
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Hardware Perspective

Memory Map内存分布图（32位）

从上到下（地址从高到低）依次为
MMIo:Memory map IO
TOLUD:Top of Low Usable DRAM（系统可访问物理内存的最高地址边界）
System Memory

PCI memory range涉及到PCI配置表，以0XF开头，具体可以看我另外一篇讲的PCI&PCIe的。
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如果是32bit以上（64bit），4G以上的寻址空间，就有更多的内存可以使用。
4G以上一部分也被拿来当作OS可用内存，再reclaim一段TOLUD到0xFFFFFFFF的内存大小（实际上只是获取了大小，数据并不是mmio的内容），再继续4G以上部分的mmio。

Reclaim 的不是 MMIO 区域，而是被 MMIO“挤掉”的 DRAM
你有比如 8GB 的物理内存，但 CPU 的地址空间从 0x00000000 到 0xFFFFFFFF（4GB）之间被 MMIO 占了一部分。
那么原本应该映射在这段地址上的 DRAM 就没法映射进来。
这部分 DRAM 并没有消失，而是被“挪”到 4GB 以上的地址空间继续使用。
Reclaim 区域的大小 ≈ MMIO 占用的大小
是的，被 MMIO 占用多少地址空间，就会有多少 DRAM 被挤出去，然后 reclaim 回来。
所以 reclaim 区域的大小 ≈ 0xFFFFFFFF - TOLUD + 1
Reclaim 出来的那段 DRAM 是可以正常使用的
操作系统通过 BIOS 提供的 e820 表知道哪些地址是可用内存。
那段 reclaim 出来的 DRAM 会被标记为“可用”，可以被 OS 分配给用户进程、内核、缓存等。

如下：
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PEI（Hob）

初始化内存，有的Hob要存放内存相关信息，DXE时候去获取。
可以看到绿色部分是HOB部分的（包含一个PHIT HOB头，里面放了物理起始地址和Hob list可用内存范围），hob list的大小是由代码固定好的，HOB一旦创建便不可删除或修改位置，仅支持追加（在最后面）操作。
蓝色部分是初始化好但还没用的，黄色是已经被分配过的地方。
最开始PeiMemoryTop和PeiFreeMemoryTop是一样的，每分配一段内存PeiFreeMemoryTop就会向下，EfiFreeMemoryBottom就会往上来用hob记录内存使用（黄色区域增多，绿色部分增多，蓝色区域减少）。

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DXE（Gcd）

初始化驱动阶段。
这里4G以上就是之前讲的64位平台所拥有的内存扩展可用区域。
mmio同之前讲的一样，在4G最高地址。

DXE最开始的时候，会内存服务，GCD:Global Coherency Domain。
去分配一些比较大的空间。
GCD阶段，内存分为四个type：
1.Nonexistent memory：没用过的内存
2.System memory：系统内存
3.Memory mapped I/O：mmio
4.Reserved memory：预留内存（申请了准备用但还没有用的）

红框里的都是OS需要用到的，但是它实际上并不是连续的一块，是动态分配的，通过GCD的这些函数。
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函数如图。
以下是函数具体执行。
原本都是Nonexistent memory，之后add成不同的类型：MMIO/Reserved/System memory。

GetMemoryMap

跑完UEFI Boot，从OS来看内存分布（BS是boot service）：
可以通过GetMemoryMap来得到这张表，会在ExitBootService之前调用这个函数，会把这些信息传给OS。
因为OS需要知道物理内存是怎么用的，有些内存是不能被bios使用的也会被标注出来。OS需要知道那些内存是它可用的、哪些不可用。
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这是函数的参数：

其中MemoryMap的PhysicalStart一段内存空间的地址。
这是每个EFI_MEMORY_DESCRIPTOR的结构：

typedef struct {UINT32                Type;           // 内存类型（如代码、数据、保留等）EFI_PHYSICAL_ADDRESS  PhysicalStart;  // 物理起始地址，理解为寻址空间（32位对应4G寻址空间那种）EFI_VIRTUAL_ADDRESS   VirtualStart;   // 虚拟起始地址（未映射时为0）UINT64                NumberOfPages;  // 页数（每页=4KB），可以看做内存区段大小的一种计量单位UINT64                Attribute;      // 属性（可执行、缓存策略等）
} EFI_MEMORY_DESCRIPTOR;

也可以通过memmap指令在shell（还没有执行ExitBootService，可以回到Setup页面）下获得：
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