arm机物理地址

ARM机物理地址详解

在ARM架构中,物理地址是处理器在系统总线上直接访问的内存或外设的实际地址，它与虚拟地址共同构成了ARM系统的地址体系，对于理解ARM系统的内存管理和外设访问至关重要，以下是对ARM机物理地址的详细解析：

物理地址的定义与特性

• 定义：物理地址是指处理器在系统总线上看到的地址，用于直接访问内存或外设寄存器，在ARM架构中，物理地址是由硬件设计决定的，每个外设或内存单元都被分配了一个唯一的物理地址。

• 特性：

  • 唯一性：每个外设或内存单元的物理地址是唯一的，确保了数据的准确性和一致性。
  • 固定性：物理地址是固定的，不会因为程序的运行而改变，这使得操作系统和应用程序能够稳定地访问外设和内存。
  • 连续性：在某些情况下，为了提高内存访问的效率，物理地址可能是连续的，将一段连续的物理内存分配给一个数组或结构体。

物理地址与虚拟地址的关系

• 映射关系：在启用了内存管理单元（MMU）的系统中，虚拟地址需要通过MMU转换为物理地址才能访问实际的内存或外设，这种转换是通过页表来实现的，页表记录了虚拟地址到物理地址的映射关系。

• 区别：

  • 用途不同：虚拟地址用于程序的内部寻址，使得程序可以使用连续的地址空间而不必担心物理内存的碎片问题；而物理地址则用于实际的内存访问，确保了数据的准确性和一致性。
  • 可变性：虚拟地址在程序运行时是可以变化的（如通过内存映射或动态分配），而物理地址则是固定的。
  • 安全性：虚拟地址提供了额外的安全层，使得程序无法直接访问其他程序的内存空间或系统的关键区域；而物理地址则直接暴露了系统的内存布局。

物理地址的分配与管理

• 分配原则：物理地址的分配通常遵循一定的原则，如低地址给内存、高地址给外设等，这样可以确保内存和外设之间的地址不会冲突，并且便于管理和访问。

• 管理方式：

  

  • 静态分配：对于一些固定的外设或内存区域，其物理地址是预先确定的，并且在系统运行过程中不会改变，这种方式适用于对性能要求较高且不需要动态调整的场景。
  • 动态分配：对于一些需要动态调整的内存区域（如堆栈、动态数据区等），其物理地址可以在系统运行时动态分配，这种方式可以提高内存的利用率和灵活性。

物理地址在ARM系统中的应用

• 外设访问：在ARM系统中，外设通常被映射到特定的物理地址上，通过访问这些物理地址，可以读取外设的状态或向其写入控制命令，GPIO控制器的寄存器就被映射到了某个固定的物理地址上。

• 内存管理：在启用了MMU的系统中，操作系统需要管理虚拟地址到物理地址的映射关系，这包括设置页表、处理页面错误等，通过合理的内存管理策略，可以提高系统的稳定性和性能。

• 设备树：在嵌入式系统中，设备树是一种描述硬件设备的信息的数据结构，它包含了设备的物理地址、中断号等信息，使得操作系统能够正确地识别和配置硬件设备。

物理地址相关的寄存器与配置

• TCR_EL1寄存器：在ARMv8架构中，TCR_EL1（Translation Control Register for Exception Level 1）寄存器用于控制物理地址的宽度和其他相关配置，通过设置TCR_EL1的IPS字段，可以确定物理地址的宽度（如32位、36位、40位等）。

• 页表基地址寄存器：TTBR0_ELx和TTBR1_ELx寄存器分别用于存储用户模式和内核模式的页表基地址，当CPU访问虚拟地址时，会根据虚拟地址的最高位选择相应的页表基地址寄存器进行地址转换。

物理地址与缓存、共享属性的关系

• 缓存属性：对于正常内存（如物理内存和只读存储器），可以设置共享属性和缓存属性，共享属性定义了内存位置是否可以被多个核共享；缓存属性则定义了访问内存时是否通过处理器的缓存。

  

• 设备内存：设备内存的共享属性总是外部共享，缓存属性总是不可缓存（即必须绕过处理器的缓存），这是为了确保外设寄存器的访问准确性和实时性。

物理地址宽度的扩展与未来趋势

• 当前支持：目前ARM64处理器支持的最大物理地址宽度是48位，这意味着ARM系统可以直接访问高达256TB的物理内存空间。

• 未来趋势：随着技术的不断发展和应用场景的不断扩展，未来ARM处理器可能会支持更宽的物理地址宽度（如52位、64位等），这将使得ARM系统能够支持更大的内存空间和更多的外设设备。

FAQs

Q1: ARM系统中如何将外设寄存器的物理地址映射到虚拟地址空间？
A1: 在ARM系统中，可以使用内核提供的函数如ioremap()、io_remap_pfn_range()和remap_pfn_range()等来将外设寄存器的物理地址映射到虚拟地址空间，这些函数允许开发者指定物理地址、映射大小以及访问权限等参数，从而实现对外设寄存器的方便访问。

Q2: 为什么ARM系统中需要区分物理地址和虚拟地址？
A2: ARM系统中区分物理地址和虚拟地址的主要原因是为了提高内存管理的效率和灵活性，虚拟地址为程序提供了一个连续的、抽象的地址空间，使得程序可以使用简单的地址计算来访问内存而不必担心物理内存的碎片问题，而物理地址则用于实际的内存访问，确保了数据的准确性和一致性，通过区分这两种地址类型，ARM系统能够更好地管理内存资源、提高系统性能并增强