應用背景

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

Linux 內存管理概述

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

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

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

預留內存三種方法

1. Memreserve

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

圖1 CycloneV SoC 設備樹 Memreserve 節點

2. Linux 內核啟動參數 cmdline

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

3. Linux Reserved Memory 預留內存機制

Reserved Memory，顧名思義，把系統中的一部分內存保留，內核不會為它建立頁表，在內核初始化過程中，解析該 reserved-memory 節點時，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存。如內核源碼目錄下arch/arm64/boot/dts/altera/socfpga_stratix10.dtsi，下圖 (圖2) 為設備樹節點：

圖2 設備樹節點

關鍵參數：

通過 reg 參數，指定保存內存的特定范圍

通過 no-map，指定操作系統不允許創建虛擬映射

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

總結

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