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MMIO、IOMAP 和 IOMMU 全面解析
📌 本文将深入浅出地梳理 Linux 驱动开发中常见的三大术语：MMIO、iomap、IOMMU。它们看似相似，其实职责完全不同，是理解 SoC 系统架构、DMA 安全性和驱动开发的基础。
一、MMIO（Memory-Mapped I/O）
定义：
MMIO 是将外设的寄存器映射到内存地址空间中的一种机制，使得 CPU 可以像读写内存一样访问硬件寄存器。
特点：
-
地址固定，由硬件在 SoC 设计时分配（如 0xF000_0000）
-
访问方式为普通内存操作（
load/store） -
对于 CPU 而言：访问的是虚拟地址，但最终会映射到 MMIO 的物理地址
Linux 中使用方式：
void __iomem *base = ioremap(0xF9000000, 0x1000);
writel(0x01, base + 0x04); // 写寄存器
二、iomap（或 ioremap）
定义：
ioremap() 是 Linux 内核提供的一个函数，用于将 MMIO 物理地址映射到内核虚拟地址空间，让驱动能用指针读写设备寄存器。
注意：
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它并不是内核页表的一部分（无法被用户态访问）
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一般只在内核驱动中使用
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返回值是
__iomem类型，强调它是特殊内存（不可随便 deref）
使用流程：
-
从设备树中读取 reg（物理地址）
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调用
ioremap() -
使用
readl()/writel()操作寄存器 -
使用完后
iounmap()
三、IOMMU（I/O Memory Management Unit）
定义：
IOMMU 是为设备提供地址转换的 MMU，作用是在设备访问内存（DMA）时，将其使用的虚拟地址（IOVA）翻译为实际的物理地址（PA）。
和 MMU 类似：
-
CPU 使用虚拟地址 → MMU → 物理地址
-
设备使用 IOVA → IOMMU → 物理地址
好处：
-
安全隔离（防止 DMA 越界）
-
虚拟地址空间抽象（方便设备驱动管理 buffer）
-
支持虚拟化（guest VM 可以有独立 IOVA）
四者关系与对比
| 特性 | MMIO | iomap / ioremap | IOMMU |
|---|---|---|---|
| 涉及角色 | CPU 访问设备寄存器 | CPU 访问寄存器的方式 | 设备访问内存的 MMU |
| 管理对象 | 寄存器地址（物理） | 虚拟地址 ←→ MMIO 映射 | IOVA ←→ RAM地址 |
| 是否在设备树 | ✅ reg 字段 | ✅ 用 reg 映射 | ✅ stream-id/domain |
| 是否需驱动调用 | ❌ 自动决定 | ✅ 手动 ioremap | ✅ DMA 调用会启用 |
| 是否用于 DMA | ❌ 否 | ❌ 否 | ✅ 是 |
示例场景：ISP 拍照设备
CPU → 配置 ISP 控制寄存器（0xF900_0000）↑ ioremap（iomap）
ISP → 把拍到的图像写入 DDR（0x12340000 IOVA）↑ 通过 IOMMU 做地址转换 → 实际写入物理内存
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寄存器访问用
MMIO + iomap -
内存访问（DMA）用
IOMMU
图示建议
CPU ←─(ioremap)────→ MMIO（设备寄存器）│ ↑│ ││ 控制设备 │↓ │DDR（内存） ←────(IOMMU)────← DMA ← 设备（ISP/VPU）