PMON 2K0300 地址空间分布分析

杜比

PMON 2K0300 地址空间分布完整分析

一、地址空间总览

PMON 运行在 LoongArch 架构上，使用 64 位虚拟地址，高 16 位决定访问属性：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    LoongArch 64 位地址空间布局                              │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                             │
│  0x0000_0000_0000_0000 ┌─────────────────────────────────────────────────┐ │
│                        │         用户态地址空间 (KUSEG)                  │ │
│                        │  USRTEXT: 0x00400000 (用户代码起始)            │ │
│                        │  USRSTACK: 0x80000000 (用户栈顶)               │ │
│  0x7FFF_FFFF_FFFF_FFFF ├─────────────────────────────────────────────────┤ │
│                        │          非缓存内存 (UNCACHED)                 │ │
│  0x8000_0000_0000_0000 │  PHYS_TO_UNCACHED(x) = x | 0x8000...          │ │
│                        │  用于设备寄存器、DMA 缓冲区                     │ │
│  0x8FFF_FFFF_FFFF_FFFF ├─────────────────────────────────────────────────┤ │
│                        │           缓存内存 (CACHED)                    │ │
│  0x9000_0000_0000_0000 │  PHYS_TO_CACHED(x) = x | 0x9000...            │ │
│                        │  用于普通内存访问                               │ │
│  0x9FFF_FFFF_FFFF_FFFF ├─────────────────────────────────────────────────┤ │
│                        │             保留/其他                           │ │
│  0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF └─────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

二、地址空间核心宏定义 (`cpu.h`)

// cpu.h 中的地址空间定义
#define KUSEG_ADDR              0x0                                 // 用户段
#define CACHED_MEMORY_ADDR      0x9000000000000000ULL               // 缓存内存基址
#define UNCACHED_MEMORY_ADDR    0x8000000000000000ULL               // 非缓存内存基址
#define MAX_MEM_ADDR            PHYS_TO_UNCACHED(0x1e000000)        // 最大内存地址
#define RESERVED_ADDR           PHYS_TO_UNCACHED(0x1fc80000)        // 保留地址

// 地址转换宏
#define IS_CACHED_ADDR(x)       (!!(((x) & 0xff00000000000000ULL) == CACHED_MEMORY_ADDR))

#ifndef _LOCORE
#define PHYS_TO_CACHED(x)       ((unsigned long long)(x) | CACHED_MEMORY_ADDR)
#define PHYS_TO_UNCACHED(x)     ((unsigned long long)(x) | UNCACHED_MEMORY_ADDR)
#define CACHED_TO_UNCACHED(x)   (PHYS_TO_UNCACHED(VA_TO_PHYS(x)))
#define UNCACHED_TO_CACHED(x)   (PHYS_TO_CACHED(VA_TO_PHYS(x)))
#define VA_TO_PHYS(x)           ((unsigned long long)(x) & 0xffffffffffffULL)
#else
// 汇编版本
#define PHYS_TO_CACHED(x)       ((x) | CACHED_MEMORY_ADDR)
#define PHYS_TO_UNCACHED(x)     ((x) | UNCACHED_MEMORY_ADDR)
#define VA_TO_PHYS(x)           ((x) & 0xffffffffffff)
#endif

三、物理地址空间分布 (`bonito.h`, `ls2k300.h`)

3.1 物理地址总览

| 地址范围 | 大小 | 用途 |
|----------|------|------|
| 0x0000_0000 - 0x0FFF_FFFF | 256MB | 系统内存（低端） |
| 0x1000_0000 - 0x1BFF_FFFF | 192MB | 系统内存（高端） |
| 0x1C00_0000 - 0x1CFF_FFFF | 16MB | SPI Flash (PMON 固件) |
| 0x1D00_0000 - 0x1DFF_FFFF | 16MB | 保留 |
| 0x1E00_0000 - 0x1EFF_FFFF | 16MB | LIO 内存窗口 |
| 0x1F00_0000 - 0x1FDF_FFFF | _14MB | 设备寄存器 |
| 0x1FE0_0000 - 0x1FEF_FFFF | 1MB | SoC 内部寄存器 |
| 0x1FF0_0000 - 0x1FFF_FFFF | 1MB | 外设寄存器 |

3.2 Flash 内部布局

// bonito.h
#define BONITO_FLASH_BASE       PHYS_TO_UNCACHED(0x1c000000)
#define BONITO_FLASH_SIZE       0x100000

// NVRAM 环境变量区域
#define NVRAM_OFFS              0x000ff000      // 环境变量偏移
#define NVRAM_SECSIZE           500             // 环境变量大小

// DTB 设备树区域
#define DTB_SIZE                0x4000          // 16KB (2K300 为 0x5000)
#define DTB_OFFS                (NVRAM_OFFS - DTB_SIZE)

// 内存信息存储
#define DIMM_INFO_IN_FLASH_OFFS (PHYS_TO_UNCACHED(0x1c000000) + DTB_OFFS - 0x1000)
#define SMBIOS_INFO_IN_SDRAM_OFFS PHYS_TO_UNCACHED(0xfffc000)

Flash 详细布局：

0x1C00_0000  ┌─────────────────────────────────────────────┐
             │  PMON 代码 (.text, .rodata, .data)           │
             │  (从 _start 到 _edata)                       │
             │                                              │
             │  ~ 800KB - 1MB                               │
             │                                              │
0x1C0F_E000  ├─────────────────────────────────────────────┤ ← DTB_OFFS
             │  DTB 设备树 (16KB/20KB)                     │
0x1C0F_F000  ├─────────────────────────────────────────────┤ ← NVRAM_OFFS
             │  NVRAM 环境变量 (500 字节)                   │
0x1C0F_F500  ├─────────────────────────────────────────────┤
             │  保留                                       │
0x1C0F_FFFF  └─────────────────────────────────────────────┘

四、外设寄存器地址映射

4.1 2K300 外设寄存器 (`ls2k300.h`)

// 芯片配置寄存器
#define LS2K300_GENERAL_CFG0    0x16000100      // 芯片配置0
#define LS2K300_GENERAL_CFG1    0x16000104      // 芯片配置1
#define LS2K300_GENERAL_CFG2    0x16000108      // 芯片配置2
#define LS2K300_GENERAL_CFG3    0x1600010c      // 缓存一致性配置
#define LS2K300_GENERAL_CFG4    0x16000110      // SPI PAD 配置
#define LS2K300_GENERAL_CFG5    0x16000114      // 芯片配置5
#define LS2K300_SAMPLE_CFG0     0x16000120      // 采样配置0
#define LS2K300_CHIP_HPT_LO     0x16000130      // HPET 低32位
#define LS2K300_CHIP_HPT_HI     0x16000134      // HPET 高32位

// GPIO 寄存器
#define LS2K300_GPIO_MULTI_CFG  0x16000490      // GPIO 复用配置
#define LS2K300_GPIO_BASE       0x16104000      // GPIO 基址
#define LS2K300_GPIO_BIT_OEN    0x16104000      // GPIO 输出使能
#define LS2K300_GPIO_BIT_O      0x16104010      // GPIO 输出值
#define LS2K300_GPIO_BIT_I      0x16104020      // GPIO 输入值

// USB 控制器
#define LS2K300_OHCI_BASE       0x16040000      // OHCI USB 1.1
#define LS2K300_EHCI_BASE       0x16080000      // EHCI USB 2.0

// 显示控制器
#define LS2K300_DC_BASE         0x16090000      // DC 基址

// SPI 控制器
#define LS2K300_SPI0_BASE       0x16010000      // SPI0
#define LS2K300_SPI1_BASE       0x16018000      // SPI1
#define LS2K300_SPI2_BASE       0x1610c000      // SPI2
#define LS2K300_SPI3_BASE       0x1610e000      // SPI3

// UART 控制器
#define LS2K300_UART0_REG_BASE  0x16100000      // UART0
#define LS2K300_UART1_REG_BASE  0x16100400      // UART1
#define LS2K300_UART2_REG_BASE  0x16100800      // UART2 (调试串口)
#define LS2K300_UART3_REG_BASE  0x16100c00      // UART3
#define LS2K300_UART4_REG_BASE  0x16101000      // UART4
#define LS2K300_UART5_REG_BASE  0x16101400      // UART5
#define LS2K300_UART6_REG_BASE  0x16101800      // UART6
#define LS2K300_UART7_REG_BASE  0x16101c00      // UART7
#define LS2K300_UART8_REG_BASE  0x16102000      // UART8
#define LS2K300_UART9_REG_BASE  0x16102400      // UART9

// I2C 控制器
#define LS2K300_I2C0_REG_BASE   0x16108000      // I2C0
#define LS2K300_I2C1_REG_BASE   0x16109000      // I2C1

// SDIO 控制器
#define LS2K300_SDIO0_BASE      0x16140000      // SDIO0
#define LS2K300_SDIO1_BASE      0x16148000      // SDIO1

// 定时器
#define LS2K300_HPET0_BASE      0x16120000      // HPET0
#define LS2K300_HPET0_PERIOD    0x16120004      // HPET0 周期
#define LS2K300_HPET0_CONF      0x16120010      // HPET0 配置
#define LS2K300_HPET0_MAIN      0x161200f0      // HPET0 主计数器

// RTC
#define LS2K300_RTC_REG_BASE    0x16128000      // RTC 基址
#define LS2K300_TOY_READ0_REG   0x1612802c      // TOY 读寄存器0
#define LS2K300_TOY_READ1_REG   0x16128030      // TOY 读寄存器1
#define LS2K300_RTC_CTRL_REG    0x16128040      // RTC 控制寄存器

// DMA
#define LS2K300_DMA_ORDER0      0x1612c000      // DMA 通道0

// PLL 控制
#define CBUS_PLL_NODE           0x16000400      // Node PLL
#define CBUS_PLL_DDR            0x16000408      // DDR PLL
#define CBUS_PLL_PIX            0x16000410      // PIX PLL

// 看门狗
#define LS2K300_WDT_BASE        0x16124000      // 看门狗基址
#define LS2K300_RST_CNT_REG     0x16124000      // 复位控制

4.2 PCI 地址空间 (`bonito.h`)

// PCI 配置空间
#define BONITO_PCICFG0_BASE_VA  0xfe00000000   // PCI 配置空间0
#define BONITO_PCICFG1_BASE_VA  0xfe10000000   // PCI 配置空间1

// PCI 内存空间
#define BONITO_PCILO_BASE_VA    0x10000000     // PCI 低端内存
#define BONITO_PCILO_SIZE       0x0c000000     // 192MB
#define BONITO_PCILO_TOP        0x1BFFFFFF

// PCI I/O 空间
#define BONITO_PCIIO_BASE       0x1fd00000     // PCI I/O 基址
#define BONITO_PCIIO_BASE_VA    0x1fd00000     // PCI I/O 虚拟地址
#define BONITO_PCIIO_SIZE       0x00010000     // 64KB

// LIO 内存窗口
#define LIO_MEM_BASE0           0x1a000000     // LIO 内存0
#define LIO_MEM_BASE1           0x1b000000     // LIO 内存1
#define LIO_MEM_SIZE            0x01000000     // 16MB

// LPC 内存
#define LPC_MEM_BASE            0x1df00000     // LPC 内存基址
#define LPC_MEM_SIZE            0x01000000     // 16MB

// SPI Flash 内存映射
#define SPI_MEM_BASE            0x18000000     // SPI 内存基址
#define SPI_MEM_SIZE            0x02000000     // 32MB

五、虚拟内存映射 (`vmparam.h`, `vm_kern.h`)

5.1 用户/内核地址划分

// vmparam.h
#define USRTEXT                 0x00400000      // 用户代码起始
#define USRSTACK                0x80000000      // 用户栈顶
#define VM_MAXUSER_ADDRESS      0x80000000      // 用户空间上限

#define KERNBASE                0x80000000      // 内核虚拟起始
#define VM_MIN_KERNEL_ADDRESS   0xC0000000      // 内核最小地址
#define VM_MAX_KERNEL_ADDRESS   0xFFFFC000      // 内核最大地址

// 内核特殊区域
#define UADDR                   0xffffc000      // u-area 地址
#define KERNELSTACK             (UADDR + UPAGES*NBPG)  // 内核栈顶

5.2 内核映射区 (`vm_kern.h`)

// 内核虚拟内存映射区
extern vm_map_t buffer_map;     // 文件系统缓冲区映射
extern vm_map_t exec_map;       // exec 参数/环境映射
extern vm_map_t kernel_map;     // 内核核心映射
extern vm_map_t kmem_map;       // malloc 内存映射
extern vm_map_t mb_map;         // mbuf 集群映射
extern vm_map_t phys_map;       // 物理内存映射

5.3 内核映射区用途

| 映射区 | 用途 | 典型大小 |
|--------|------|----------|
| kernel_map | 内核代码、数据、页表 | 整个内核地址空间 |
| kmem_map | malloc() 动态分配 | VM_KMEM_SIZE |
| mb_map | 网络 mbuf 集群 | NMBCLUSTERS * MCLBYTES |
| buffer_map | 文件系统缓冲区 | nbuf * MAXBSIZE |
| phys_map | 设备 I/O 映射 | USRIOSIZE * PAGE_SIZE |

六、PMON 运行时地址空间布局

6.1 PMON 代码段定位 (`start.S`)

// start.S 中的栈定义
stack = start + LOCK_CACHE_SIZE   /* 栈在锁定缓存末尾 */

// 锁定缓存配置
#define LOCK_CACHE_BASE     0x90000000     // 256KB 锁定缓存
#define LOCK_CACHE_SIZE     0x40000        // 256KB

6.2 PMON 运行时地址分布

Scache (0x90000000 - 0x9003FFFF, 256KB)
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 0x90000000 ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐ │
│            │  .text (PMON 代码段)                                        │ │
│            │  入口: _start → cache_main → init_loongarch → dbginit → main│ │
│            │  ~ 100-150KB                                               │ │
│            ├─────────────────────────────────────────────────────────────┤ │
│            │  .rodata (只读数据)                                        │ │
│            │  - 字符串常量                                               │ │
│            │  - 命令表                                                   │ │
│            │  - 设备表                                                   │ │
│            │  ~ 10-20KB                                                │ │
│            ├─────────────────────────────────────────────────────────────┤ │
│            │  .data (初始化数据)                                        │ │
│            │  - 全局变量 (已初始化)                                     │ │
│            │  - 设备结构                                                 │ │
│            │  ~ 10-20KB                                                │ │
│            ├─────────────────────────────────────────────────────────────┤ │
│            │  .bss (未初始化数据)                                       │ │
│            │  - 全局变量 (未初始化)                                     │ │
│            │  - 缓冲区                                                   │ │
│            │  ~ 10-20KB                                                │ │
│            ├─────────────────────────────────────────────────────────────┤ │
│            │  空闲区域 / 栈 (向下增长)                                   │ │
│ 0x9003FFFF └─────────────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

6.3 kmem 静态内存池 (`kern_misc.c`)

// vminit() - 从内存顶部预留内存池
void vminit()
{
    memorysize = (memorysize - VM_KMEM_SIZE) & ~PGOFSET;
    if (IS_CACHED_ADDR((u_int64_t)&kmem)) {
        kmem = (u_char *)PHYS_TO_CACHED(memorysize);
    } else {
        kmem = (u_char *)PHYS_TO_UNCACHED(memorysize);
    }
}

// kmem_malloc - 从静态池分配
vm_offset_t kmem_malloc(vm_map_t map, vm_size_t size)
{
    size = (size + PGOFSET) & ~PGOFSET;
    // 预留 16MB 给上层 PMON 代码
    if (kmem_offs + size > VM_KMEM_SIZE - 0x01000000) {
        return 0;
    }
    p = (vm_offset_t) &kmem[kmem_offs];
    kmem_offs += size;
    return p;
}

kmem 内存池布局：

高地址 ┌─────────────────────────────────┐
       │      保留区域 (16MB)             │ ← 给上层 PMON 代码
       ├─────────────────────────────────┤
       │      kmem 动态分配区             │ ← kmem_malloc 分配
       │      (kmem_offs 递增)           │
       ├─────────────────────────────────┤
       │      VM_KMEM_SIZE               │
       │      内核内存池                  │
低地址 └─────────────────────────────────┘

七、异常向量地址

// cpu.h
#define TLB_MISS_EXC_VEC        CACHED_MEMORY_ADDR              // TLB 缺失
#define XTLB_MISS_EXC_VEC       PHYS_TO_CACHED(0x80)            // XTLB 缺失
#define CACHE_ERR_EXC_VEC       CACHED_MEMORY_ADDR              // 缓存错误
#define GEN_EXC_VEC             PHYS_TO_CACHED(0xfe00000)       // 通用异常向量

// start.S 中设置
#define GEN_EXC_VEC             0xfe00000
#define TLB_EXC_VEC             0x1c001000

八、内存探测结果 (`tgt_machdep.c`)

void get_memorysize(unsigned long long tgt_memsz)
{
    raw_memsz = tgt_memsz >> 9;
    mem_size = raw_memsz & 0xff;
    mem_size = mem_size << 29;        // 转换为字节
    mem_size = mem_size - 0x1000000;  // 减去 16MB 保留
    mem_size = mem_size >> 20;        // 转换为 MB
    
    // 低端内存 (前 240MB)
    memorysize = mem_size > 240 ? 240 << 20 : mem_size << 20;
    
    // 高端内存 (超过 240MB 的部分)
    memorysize_high = mem_size > 240 ? 
        (((unsigned long long)mem_size) - 240) << 20 : 0;
    
    memorysize_total = ((memorysize + memorysize_high) >> 20) + 16;
}

1GB 内存布局示例：

物理地址              虚拟地址 (缓存)
0x0000_0000 ┌──────────────┐  0x9000_0000_0000_0000
            │   保留 16MB   │
0x0100_0000 ├──────────────┤
            │   低端内存    │
            │   (240MB)    │
0x1000_0000 ├──────────────┤
            │   高端内存    │
            │   (784MB)    │
0x3FFF_FFFF └──────────────┘  0x9000_0000_3FFF_FFFF

九、地址空间分布总图

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                       PMON 完整地址空间分布                                  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                             │
│  物理地址空间 (Physical Address)                                            │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ 0x0000_0000 - 0x0FFF_FFFF: 系统内存 (低端)                         │   │
│  │ 0x1000_0000 - 0x1BFF_FFFF: 系统内存 (高端)                         │   │
│  │ 0x1C00_0000 - 0x1CFF_FFFF: SPI Flash (PMON 固件)                   │   │
│  │ 0x1E00_0000 - 0x1EFF_FFFF: LIO 内存窗口                            │   │
│  │ 0x1FD0_0000 - 0x1FD0_FFFF: PCI I/O 空间                            │   │
│  │ 0x1FE0_0000 - 0x1FEF_FFFF: SoC 内部寄存器                          │   │
│  │ 0x1FF0_0000 - 0x1FFF_FFFF: 外设寄存器                              │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                                      │                                      │
│                                      ▼ (VA_TO_PHYS / PHYS_TO_CACHED)       │
│  虚拟地址空间 (Virtual Address)                                             │
│  ┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │ 0x0000_0000_0000_0000 ──────────────────────────────────────────── │   │
│  │                    用户态 (KUSEG)                                   │   │
│  │  USRTEXT: 0x00400000                                               │   │
│  │  USRSTACK: 0x80000000                                              │   │
│  │ 0x7FFF_FFFF_FFFF_FFFF ──────────────────────────────────────────── │   │
│  │                    非缓存 (UNCACHED)                               │   │
│  │  设备寄存器: 0x8000_0000_1600_0000                                │   │
│  │  0x8000_0000_1C00_0000: Flash (非缓存访问)                        │   │
│  │  0x8FFF_FFFF_FFFF_FFFF ──────────────────────────────────────────── │   │
│  │                    缓存 (CACHED)                                   │   │
│  │  0x9000_0000_0000_0000: Scache 锁定 (256KB)                       │   │
│  │  0x9000_0000_0000_0000: PMON 代码运行地址                         │   │
│  │  0x9000_0000_1000_0000: 系统内存 (缓存访问)                       │   │
│  │  0x9FFF_FFFF_FFFF_FFFF ──────────────────────────────────────────── │   │
│  │                    内核地址空间                                    │   │
│  │  KERNBASE: 0x80000000                                             │   │
│  │  VM_MIN_KERNEL: 0xC0000000                                        │   │
│  │  UADDR: 0xFFFFC000 (u-area)                                       │   │
│  │  0xFFFF_FFFF_FFFF_FFFF ──────────────────────────────────────────── │   │
│  └─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘   │
│                                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

十、地址空间关键常量汇总

| 常量 | 值 | 说明 |
|------|-----|------|
| CACHED_MEMORY_ADDR | 0x9000_0000_0000_0000 | 缓存内存基址 |
| UNCACHED_MEMORY_ADDR | 0x8000_0000_0000_0000 | 非缓存内存基址 |
| USRTEXT | 0x0040_0000 | 用户代码起始 |
| USRSTACK | 0x8000_0000 | 用户栈顶 |
| KERNBASE | 0x8000_0000 | 内核虚拟起始 |
| UADDR | 0xFFFF_C000 | u-area 地址 |
| LOCK_CACHE_BASE | 0x9000_0000 | Scache 锁定基址 |
| LOCK_CACHE_SIZE | 0x4_0000 (256KB) | Scache 锁定大小 |
| BONITO_FLASH_BASE | 0x1C00_0000 | Flash 基址 (物理) |
| BONITO_PCIIO_BASE | 0x1FD0_0000 | PCI I/O 基址 |
| NVRAM_OFFS | 0x000F_F000 | NVRAM 在 Flash 中的偏移 |
| DTB_OFFS | NVRAM_OFFS - DTB_SIZE | DTB 在 Flash 中的偏移 |
| VM_KMEM_SIZE | 编译时确定 | 内核内存池大小 |
| NMBCLUSTERS | 1024/2048 | mbuf 集群数量 |

十一、总结

PMON 的地址空间分布具有以下特点：

64 位地址空间：利用 LoongArch 的高位区分缓存/非缓存访问
物理/虚拟地址转换：通过 PHYS_TO_CACHED 和 PHYS_TO_UNCACHED 宏统一管理
Scache 锁定：启动时在 0x90000000 锁定 256KB 缓存用于加速
Flash 布局：PMON 代码、DTB、NVRAM 在 Flash 中紧凑排列
设备寄存器映射：所有外设寄存器通过非缓存地址访问
内核映射区：多种专用映射区 (mbuf、buffer、kmem 等) 隔离不同用途
用户/内核隔离：用户空间 (0x00400000-0x80000000) 与内核空间分离

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