應用背景

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，ARM 和 FPGA 之間的通信可以使用 ARM 側(cè)的 DDR 作為通道。由于 FPGA 也可以直接訪問到 ARM 側(cè) DDR，但 DDR 作為共享通信時，就不能被操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理子系統(tǒng)管理。因此，需要預留一部分物理內(nèi)存，使其不被內(nèi)核管理。接下來將為大家詳細介紹在 Linux 系統(tǒng)中通過預留物理內(nèi)存實現(xiàn) ARM 與 FPGA 高效通信的方法，預留物理內(nèi)存包括 memreserve、Linux 內(nèi)核啟動參數(shù) cmdline 和 Linux Reserved-Memory 三種方案。

Linux 內(nèi)存管理概述

Linux 內(nèi)存管理的主要目標是滿足進程 (Process) 對內(nèi)存的需求，同時最大限度地利用有限的內(nèi)存資源。為了實現(xiàn)這個目標，Linux 內(nèi)存管理采用了一系列的技術和策略，包括虛擬內(nèi)存 (Virtual Memory)、頁式內(nèi)存管理 (Paging)、交換空間 (Swap Space) 等。

在 Linux 內(nèi)存管理內(nèi)部是一個復雜的系統(tǒng)，由多個組件和子系統(tǒng)構成，共同協(xié)作，實現(xiàn)高效的內(nèi)存使用。其中包含物理內(nèi)存管理 (Physical Memory Management)，虛擬內(nèi)存管理 (Virtual Memory Management)，內(nèi)存分配器 (Memory Allocator)，交換空間管理 (Swap Space Management)。通過內(nèi)存管理系統(tǒng)，整個物理內(nèi)存被有效管理。默認情況下，是對整個物理內(nèi)存進行管理。

為特定的應用或者設備預留一部分物理內(nèi)存做指定用途，這部分內(nèi)存不受 Linux 內(nèi)存系統(tǒng)管理，在需要使用的時候再對這部分內(nèi)存進行管理，這就是內(nèi)核中提供的 Reserved Memory 機制。

預留內(nèi)存三種方法

1. Memreserve

通過設備樹的 memreserve 分配的內(nèi)存，無法再被操作系統(tǒng)使用。因此這種方案不建議在共享 DDR 的方案中使用。如內(nèi)核源碼目錄下arch/arm/boot/dts/socfpga_cyclone5.dtsi。

圖1 CycloneV SoC 設備樹 Memreserve 節(jié)點

2. Linux 內(nèi)核啟動參數(shù) cmdline

Linux 內(nèi)核啟動參數(shù) cmdline 提供了啟動選項。其中 mem 選項用來設置系統(tǒng)內(nèi)存的 size，也即操作系統(tǒng)管理的物理內(nèi)存 size。當 mem 指定的 size 小于實際物理內(nèi)存 size，剩余的部分不受 Linux 的內(nèi)存管理系統(tǒng)管理。如 SoC FPGA 有 4G 物理內(nèi)存，當 mem=3G 時，末尾的 1G 高端內(nèi)存，不受操作系統(tǒng)管理。

3. Linux Reserved Memory 預留內(nèi)存機制

Reserved Memory，顧名思義，把系統(tǒng)中的一部分內(nèi)存保留，內(nèi)核不會為它建立頁表，在內(nèi)核初始化過程中，解析該 reserved-memory 節(jié)點時，會將該段地址從 memblock 模塊中移除。一般應用程序不能訪問這段內(nèi)存。如內(nèi)核源碼目錄下arch/arm64/boot/dts/altera/socfpga_stratix10.dtsi，下圖 (圖2) 為設備樹節(jié)點：

圖2 設備樹節(jié)點

關鍵參數(shù)：

通過 reg 參數(shù)，指定保存內(nèi)存的特定范圍

通過 no-map，指定操作系統(tǒng)不允許創(chuàng)建虛擬映射

通過 compatible=，這塊內(nèi)存會被用來進行 Contiguous Memory Allocator for dma

總結

本文主要介紹了 Linux 系統(tǒng)中通過預留物理內(nèi)存實現(xiàn) ARM 與 FPGA 高效通信的方法，預留物理內(nèi)存包括 memreserve、Linux 內(nèi)核啟動參數(shù) cmdline 和 Linux Reserved-Memory 三種方案。但在選擇具體實現(xiàn)方式時，應根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)需求、內(nèi)存管理要求和硬件特性進行權衡。