20251230 - 为什么Linux驱动开发中必须要用到ioremap来访问硬件？

为什么Linux驱动开发中必须要用到ioremap来访问硬件？

在驱动程序里面为什么不能直接用物理地址来访问寄存器？

这是一个非常深刻且本质的问题，触及了 操作系统（OS） 与 裸机（Bare Metal）开发 最核心的区别。

一句话回答：因为 Linux 开启了 MMU（内存管理单元），CPU 发出的所有地址都会被当做"虚拟地址"处理。如果你直接用物理地址，CPU 会迷路，甚至导致系统崩溃。

确实是直接用物理地址的。

C 复制代码

// STM32 代码
#define GPIO_BASE  0x40020000 
*(volatile int *)GPIO_BASE = 1; // 这是一个物理地址，CPU 直接把数据写到了物理线路

这是因为单片机通常没有 MMU，或者没开启 MMU。CPU 发出的地址直接对应内存条或外设的物理引脚。也就是：所见即所得。

Linux 启动后，做的第一件大事就是开启 MMU。

一旦 MMU 开启，CPU 的"眼睛"就被换了一副眼镜。CPU 再也看不到真实的物理地址了，它只能看到虚拟地址。

Linux 作为一个多任务系统，必须开启 MMU，主要为了两个目的：

权限保护（安全） ：
- 防止 APP A 修改 APP B 的内存。
- 防止 APP 直接修改内核的代码。
- 如果直接用物理地址，恶意程序知道你的密码存在内存条的第 100 号单元，它直接去读第 100 号单元就窃取了。有了 MMU，APP 只能看到虚拟地址，根本接触不到物理 RAM。
地址隔离（多任务） ：
- 每个 APP 都觉得自己拥有 4GB 的内存空间（虚拟的）。
- MMU 负责把这些碎片化的物理内存拼凑成连续的虚拟内存给 APP 用。

假设寄存器的物理地址是 0x0209C000。

你在驱动代码里写：

C 复制代码

unsigned int *p = (unsigned int *)0x0209C000;
*p = 0x1;

CPU 的执行过程如下：

指令发出 ：CPU 看到指令要访问地址 0x0209C000。
MMU 拦截 ：由于 MMU 开启了，CPU 硬件会自动把这个地址当做 虚拟地址。
查表失败 ：MMU 去查"页表"（Page Table，也就是映射表），想看看虚拟地址 0x0209C000 对应哪个物理地址。
- 但是，你并没有建立过这个映射！
- 或者，这个虚拟地址范围可能已经被分配给内核代码段或者其他地方了。
系统崩溃 ：
- MMU 发现查不到，或者权限不对。
- MMU 抛出一个 Page Fault（缺页异常）。
- 内核捕获异常，发现是非法访问，直接触发 Kernel Panic，系统死机，打印 "Unable to handle kernel paging request"。

ioremap 就是 "给物理地址办签证" 的过程。

输入：物理地址 0x0209C000。
动作：
1. 内核在 内核虚拟地址空间 （通常是 3GB~4GB 的高端内存区域）里，找一段没用的空闲范围（比如 0xF0001000）。
2. 内核修改 页表（Page Table），写入一条记录：
  
  "虚拟地址 0xF0001000 对应物理地址 0x0209C000"
返回：把这个虚拟地址 0xF0001000 返回给你。

之后你操作 0xF0001000：

裸机模式 (Physical Access):

复制代码

CPU (地址 0x2000) ------------> 物理总线 (0x2000) ----> 硬件寄存器

Linux/MMU 模式 (Virtual Access):

复制代码

CPU (写 0xF000) ----> [MMU] ----(查表: 0xF000->0x2000)----> 物理总线 (0x2000) ----> 硬件寄存器

这就是为什么嵌入式 Linux 驱动开发比单片机麻烦一点的原因------你必须遵守操作系统的内存管理规则。