MMIO、IOMAP 和 IOMMU 总结

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：

• 它并不是内核页表的一部分（无法被用户态访问）

• 一般只在内核驱动中使用

• 返回值是 __iomem 类型，强调它是特殊内存（不可随便 deref）

使用流程：

1. 从设备树中读取 reg（物理地址）

2. 调用 ioremap()

3. 使用 readl()/writel() 操作寄存器

4. 使用完后 iounmap()

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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）

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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

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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

• 寄存器访问用 MMIO + iomap

• 内存访问（DMA）用 IOMMU

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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）