Qemu地址空间抽象

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2025-11-21

1. init

本文介绍了QEMU中地址空间抽象的核心机制，详细阐述了AddressSpace和MemoryRegion两个关键概念。文章从CPU访存流程出发，说明了QEMU如何通过地址空间管理区分不同设备、实现离散映射和重映射。文中展示了虚拟机地址空间的布局示例，解释了memory-region的重叠处理方式及alias机制的作用，并探讨了初始化流程中关键字段的赋值过程。通过本文的讨论，读者可以深入理解QEMU模拟内存与外设的底层实现原理。

环境

源码

wget https://download.qemu.org/qemu-10.1.2.tar.xz
tar xvJf qemu-10.1.2.tar.xz
cd qemu-10.1.2
mkdir -p output
./configure --prefix=$PWD/output --target-list=aarch64-softmmu,riscv64-softmmu --enable-debug
bear -- make -j$(nproc)

创建.clangd

CompileFlags:
  Add: -Wno-unknown-warning-option
  Remove: [-m*, -f*]

gdb

gdb -args ./build/qemu-system-riscv64 -M virt -device edu,id=edu1 -nographic

基本介绍

从 CPU 的角度来说，一切访存行为都是对地址进行操作的（load/store），CPU 并不关心这个地址背后对应的是什么设备，只要能读写到正确结果即可。

CPU访存流程

1. CPU 在计算（通过算术逻辑单元 ALU）出目标地址以后，将其发送到地址总线上，同时 CPU 还会给出读写的控制信号；
2. **地址对应的设备，可能是一块普通内存，也可能是一个 I/O 设备（**这里特指外设），会对地址总线的信号进行响应；
3. 如果是读操作，则将该地址对应的数据，按照 CPU 指定的位宽大小，通过总线传输回去，一般是存放到 CPU 访存指令给出的寄存器内；
4. 如果是写操作，则会把总线传递过来的数据，按照 CPU 指定的位宽大小，写入指定地址里面，如果是 I/O 设备，一般是更新了这个地址对应的寄存器，并可能产生副作用。

Qemu模拟内存外设

为了能够模拟内存/外设的行为，QEMU 至少要实现以下机制：

1. 基本的地址空间管理，能够根据 CPU 投递过来的地址，区分是什么设备；
2. 实现地址的离散映射，有些外设的地址不一定是连续的；
3. 实现地址的重映射，比如 MCS-51 的 RAM、XRAM 都是从 0 地址开始的；

为此，QEMU 提供了两个概念：address-space 和 memory-region（下文简称为 mr）。前者用于描述整个地址空间的映射关系（不同部件看到的地址空间可能不同），后者用于描述地址空间中某个地址范围内的映射规则。

地址空间布局

执行：

$ ./build/qemu-system-riscv64 -M virt -monitor stdio -s -S -display none

然后我们输入info mtree命令可以看到地址空间的布局：

(qemu) info mtree
address-space: cpu-memory-0
address-space: memory
  0000000000000000-ffffffffffffffff (prio 0, i/o): system
    0000000000001000-000000000000ffff (prio 0, rom): riscv_virt_board.mrom
    0000000000100000-0000000000100fff (prio 0, i/o): riscv.sifive.test
    0000000000101000-0000000000101023 (prio 0, i/o): goldfish_rtc
    0000000002000000-0000000002003fff (prio 0, i/o): riscv.aclint.swi
    0000000002004000-000000000200bfff (prio 0, i/o): riscv.aclint.mtimer
    0000000003000000-000000000300ffff (prio 0, i/o): gpex_ioport_window
      0000000003000000-000000000300ffff (prio 0, i/o): gpex_ioport
    0000000004000000-0000000005ffffff (prio 0, i/o): platform bus
    000000000c000000-000000000c5fffff (prio 0, i/o): riscv.sifive.plic
    0000000010000000-0000000010000007 (prio 0, i/o): serial
    0000000010001000-00000000100011ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010002000-00000000100021ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010003000-00000000100031ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010004000-00000000100041ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010005000-00000000100051ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010006000-00000000100061ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010007000-00000000100071ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010008000-00000000100081ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010100000-0000000010100007 (prio 0, i/o): fwcfg.data
    0000000010100008-0000000010100009 (prio 0, i/o): fwcfg.ctl
    0000000010100010-0000000010100017 (prio 0, i/o): fwcfg.dma
    0000000020000000-0000000021ffffff (prio 0, romd): virt.flash0
    0000000022000000-0000000023ffffff (prio 0, romd): virt.flash1
    0000000030000000-000000003fffffff (prio 0, i/o): alias pcie-ecam @pcie-mmcfg-mmio 0000000000000000-000000000fffffff
    0000000040000000-000000007fffffff (prio 0, i/o): alias pcie-mmio @gpex_mmio_window 0000000040000000-000000007fffffff
    0000000080000000-0000000087ffffff (prio 0, ram): riscv_virt_board.ram
    0000000400000000-00000007ffffffff (prio 0, i/o): alias pcie-mmio-high @gpex_mmio_window 0000000400000000-00000007ffffffff

address-space: gpex-root
  0000000000000000-ffffffffffffffff (prio 0, i/o): bus master container

address-space: I/O
  0000000000000000-000000000000ffff (prio 0, i/o): io

memory-region: pcie-mmcfg-mmio
  0000000000000000-000000000fffffff (prio 0, i/o): pcie-mmcfg-mmio

memory-region: gpex_mmio_window
  0000000000000000-ffffffffffffffff (prio 0, i/o): gpex_mmio_window
    0000000000000000-ffffffffffffffff (prio 0, i/o): gpex_mmio

memory-region: system
  0000000000000000-ffffffffffffffff (prio 0, i/o): system
    0000000000001000-000000000000ffff (prio 0, rom): riscv_virt_board.mrom
    0000000000100000-0000000000100fff (prio 0, i/o): riscv.sifive.test
    0000000000101000-0000000000101023 (prio 0, i/o): goldfish_rtc
    0000000002000000-0000000002003fff (prio 0, i/o): riscv.aclint.swi
    0000000002004000-000000000200bfff (prio 0, i/o): riscv.aclint.mtimer
    0000000003000000-000000000300ffff (prio 0, i/o): gpex_ioport_window
      0000000003000000-000000000300ffff (prio 0, i/o): gpex_ioport
    0000000004000000-0000000005ffffff (prio 0, i/o): platform bus
    000000000c000000-000000000c5fffff (prio 0, i/o): riscv.sifive.plic
    0000000010000000-0000000010000007 (prio 0, i/o): serial
    0000000010001000-00000000100011ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010002000-00000000100021ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010003000-00000000100031ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010004000-00000000100041ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010005000-00000000100051ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010006000-00000000100061ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010007000-00000000100071ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010008000-00000000100081ff (prio 0, i/o): virtio-mmio
    0000000010100000-0000000010100007 (prio 0, i/o): fwcfg.data
    0000000010100008-0000000010100009 (prio 0, i/o): fwcfg.ctl
    0000000010100010-0000000010100017 (prio 0, i/o): fwcfg.dma
    0000000020000000-0000000021ffffff (prio 0, romd): virt.flash0
    0000000022000000-0000000023ffffff (prio 0, romd): virt.flash1
    0000000030000000-000000003fffffff (prio 0, i/o): alias pcie-ecam @pcie-mmcfg-mmio 0000000000000000-000000000fffffff
    0000000040000000-000000007fffffff (prio 0, i/o): alias pcie-mmio @gpex_mmio_window 0000000040000000-000000007fffffff
    0000000080000000-0000000087ffffff (prio 0, ram): riscv_virt_board.ram
    0000000400000000-00000007ffffffff (prio 0, i/o): alias pcie-mmio-high @gpex_mmio_window 0000000400000000-00000007ffffffff

可以看出：

地址范围	类型	对应设备
0x00001000~0xFFFF	ROM	板载固件
0x00100000~0x00101023	I/O	测试设备 + RTC
0x02000000~0x020BFFFF	I/O	CLINT（软件/时钟中断）
0x03000000~0x030FFFFF	I/O	PCI I/O window
0x04000000~0x05FFFFFF	I/O	Platform Bus 设备
0x0C000000~0x0C5FFFFF	I/O	PLIC
0x10000000~0x100081FF	I/O	UART + Virtio-MMIO
0x20000000~0x23FFFFFF	ROMD	flash0 / flash1
0x80000000~0x87FFFFFF	RAM	Guest 内存
0x300000000~0x7FFFFFFFF	I/O	PCI MMIO alias

• 一个 Guest（被模拟的对象，这里指 virt machine）可以有多个 address-space，每个 address-space 描述的地址映射关系不一定相同，典型的是 I/O 和 memory。
• 每个 address-space 对应一个 mr 树，比如 address-space: memory 对应的 mr 的根节点是 system，子节点按照地址大小顺序排列。

由于 mr 描述的是某个具体地址范围内的映射规则，因此可以很方便地实现设备的离散映射。

举例：

address-space: cpu-memory-0
  0000000000000000-ffffffffffffffff (prio 0, i/o): system
    0000000000001000-000000000000ffff (prio 0, rom): riscv_virt_board.mrom
    0000000000100000-0000000000100fff (prio 0, i/o): riscv.sifive.test
    ...

• cpu-memory-0是 address-space
• system是顶层 memory-region（整个虚拟系统的容器）
• riscv_virt_board.mrom、sifive.test等都是 子 memory-region

每个 memory-region 都挂在 address-space 下，并提供访问 handler

memory_region地址重叠

mr 支持同一级之间地址范围重叠，重叠的部分按照优先级呈现，高优先级的重叠部分作为访问目标。(prio 0, type) 中的 prio 后跟着的是优先级，virt 的外设之间没有地址重叠，因此优先级都是 0。

这里举例说明：

0x8000   0x70000  0x60000  0x50000  0x40000  0x30000  0x20000  0x10000    0
  |--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|
A:[-----------------------------------------------------------------------] prio:0
B:[-----------------------------------------------------] prio:1
C:[-----------------------------------] prio:2
D:[-----------------] prio:3

对于 mr A 来说，它的地址范围可以看成：

0x8000   0x70000  0x60000  0x50000  0x40000  0x30000  0x20000  0x10000    0
  |--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|--------|
A:[DDDDDDDDDDDDDDDDD|CCCCCCCCCCCCCCCCC|BBBBBBBBBBBBBBBBB|AAAAAAAAAAAAAAAAA]

为了实现以上机制，QEMU 使用 alias 来描述 mr 中重叠的部分。使用 alias 可以将一个 mr 的一部分映射到另外一个 mr 上，以此来简化内存模拟的复杂度（可以类比 mmap）。

alias 示例

0000000030000000-000000003fffffff (prio 0, i/o): alias pcie-ecam @pcie-mmcfg-mmio 0000000000000000-000000000fffffff

• alias memory-region 将一个 region 映射到 address-space 的另一个地址范围
• 方便不同总线访问同一物理设备
• alias 也是 memory-region，只是内部引用了另一个 region

AddressSpace

• 表示 CPU 或总线看到的完整地址空间
• 包括：
  • 所有被映射的 memory-region
  • 每个 region 的优先级（prio）
  • 类型（RAM / ROM / I/O / alias）
• 可以理解为 虚拟机的“物理地址空间视图”

一个 CPU 可以有多个 address-space（比如 RISC-V CPU 有cpu-memory-0，还有其他 I/O space 或 PCI 总线 space）。

include/system/memory.h

/**
 * struct AddressSpace: describes a mapping of addresses to #MemoryRegion objects
 */
struct AddressSpace {
    /* private: */
    struct rcu_head rcu;
    char *name;
    MemoryRegion *root;

    /* Accessed via RCU.  */
    struct FlatView *current_map;

    int ioeventfd_nb;
    int ioeventfd_notifiers;
    struct MemoryRegionIoeventfd *ioeventfds;
    QTAILQ_HEAD(, MemoryListener) listeners;
    QTAILQ_ENTRY(AddressSpace) address_spaces_link;

    /*
     * Maximum DMA bounce buffer size used for indirect memory map requests.
     * This limits the total size of bounce buffer allocations made for
     * DMA requests to indirect memory regions within this AddressSpace. DMA
     * requests that exceed the limit (e.g. due to overly large requested size
     * or concurrent DMA requests having claimed too much buffer space) will be
     * rejected and left to the caller to handle.
     */
    size_t max_bounce_buffer_size;
    /* Total size of bounce buffers currently allocated, atomically accessed */
    size_t bounce_buffer_size;
    /* List of callbacks to invoke when buffers free up */
    QemuMutex map_client_list_lock;
    QLIST_HEAD(, AddressSpaceMapClient) map_client_list;
};

MemoryRegion

• 内存或 I/O 的 具体块
• 包括：
  • 起始地址范围（相对 address-space 的偏移）
  • 大小
  • 类型（RAM / ROM / I/O/ alias / container）
  • 子 memory-region（支持嵌套）
  • 对应的 read/write handler 或对象指针

可以理解为 address-space 中的“单个区块”，它可以是物理内存、设备寄存器、PCI BAR 等。

include/system/memory.h

/** MemoryRegion:
 *
 * A struct representing a memory region.
 */
struct MemoryRegion {
    Object parent_obj;

    /* private: */

    /* The following fields should fit in a cache line */
    bool romd_mode;
    bool ram;
    bool subpage;
    bool readonly; /* For RAM regions */
    bool nonvolatile;
    bool rom_device;
    bool flush_coalesced_mmio;
    bool unmergeable;
    uint8_t dirty_log_mask;
    bool is_iommu;
    RAMBlock *ram_block;
    Object *owner;
    /* owner as TYPE_DEVICE. Used for re-entrancy checks in MR access hotpath */
    DeviceState *dev;

    const MemoryRegionOps *ops;
    void *opaque;
    MemoryRegion *container;
    int mapped_via_alias; /* Mapped via an alias, container might be NULL */
    Int128 size;
    hwaddr addr;
    void (*destructor)(MemoryRegion *mr);
    uint64_t align;
    bool terminates;
    bool ram_device;
    bool enabled;
    uint8_t vga_logging_count;
    MemoryRegion *alias;
    hwaddr alias_offset;
    int32_t priority;
    QTAILQ_HEAD(, MemoryRegion) subregions;
    QTAILQ_ENTRY(MemoryRegion) subregions_link;
    QTAILQ_HEAD(, CoalescedMemoryRange) coalesced;
    const char *name;
    unsigned ioeventfd_nb;
    MemoryRegionIoeventfd *ioeventfds;
    RamDiscardManager *rdm; /* Only for RAM */

    /* For devices designed to perform re-entrant IO into their own IO MRs */
    bool disable_reentrancy_guard;
};

初始化流程

我们从 QEMU 初始化过程，来理解 mr 和 address-space 的关系：

main() // system/main.c
|--qemu_init(argc, argv) // system/vlc.c
|  |--cpu_exec_init_all() // system/physmem.c
|  |  |--io_mem_init()
|  |  |  |--memory_region_init_io(&io_mem_unassigned, NULL, &unassigned_mem_ops, NULL, NULL, UINT64_MAX)
|  |  |--memory_map_init()
|  |  |  |--memory_region_init(system_memory, NULL, "system", UINT64_MAX)
|  |  |  |--address_space_init(&address_space_memory, system_memory, "memory")
|  |  |  |--memory_region_init_io(system_io, NULL, &unassigned_io_ops, NULL, "io", 65536)
|  |  |  |--address_space_init(&address_space_io, system_io, "I/O")

memory_map_init

system/physmem.c

static void memory_map_init(void)
{
    system_memory = g_malloc(sizeof(*system_memory));

    memory_region_init(system_memory, NULL, "system", UINT64_MAX);
    address_space_init(&address_space_memory, system_memory, "memory");

    system_io = g_malloc(sizeof(*system_io));
    memory_region_init_io(system_io, NULL, &unassigned_io_ops, NULL, "io",
                          65536);
    address_space_init(&address_space_io, system_io, "I/O");
}

对于memory_region_init()，最终调用到memory_region_do_init()：

system/memory.c

void memory_region_init(MemoryRegion *mr,
                        Object *owner,
                        const char *name,
                        uint64_t size)
{
    object_initialize(mr, sizeof(*mr), TYPE_MEMORY_REGION);
    memory_region_do_init(mr, owner, name, size);
}

static void memory_region_do_init(MemoryRegion *mr,
                                  Object *owner,
                                  const char *name,
                                  uint64_t size)
{
    mr->size = int128_make64(size);
    if (size == UINT64_MAX) {
        mr->size = int128_2_64();
    }
    mr->name = g_strdup(name);
    mr->owner = owner;
    mr->dev = (DeviceState *) object_dynamic_cast(mr->owner, TYPE_DEVICE);
    mr->ram_block = NULL;

    if (name) {
        char *escaped_name = memory_region_escape_name(name);
        char *name_array = g_strdup_printf("%s[*]", escaped_name);

        if (!owner) {
            owner = machine_get_container("unattached");
        }

        object_property_add_child(owner, name_array, OBJECT(mr));
        object_unref(OBJECT(mr));
        g_free(name_array);
        g_free(escaped_name);
    }
}

在这段代码会完成 mr 一些关键字段的初始化。

/** MemoryRegion:
 *
 * A struct representing a memory region.
 */
struct MemoryRegion {
    Object parent_obj;

    /* private: */
    Object *owner;
    const MemoryRegionOps *ops;
    Int128 size;
    QTAILQ_HEAD(, MemoryRegion) subregions;
    QTAILQ_ENTRY(MemoryRegion) subregions_link;
    ...
};

• ops 指向 mr 访存的实际接口；
• subregions 指向其他 mr，通过 subregions，可以将所有关联的 mr 串起来。

这部分初始化代码，有一些是注册的函数回调，静态 review 代码不太方便理清中间的逻辑，可以借助 gdb 来操作。

system_memory 是一个全局变量指针，指向 mr 的根节点，我们可以对 system_memory->ops 和 system_memory->subregions 进行监视，看看是在哪个函数内被初始化的。

首先观察 system_memory->ops，命令和流程如下:

watch system_memory->ops

第一次和第二次命中监视点，是对 ops 进行 reset 操作，第三次命中，是真正初始化的地方，我们可以观察一下调用栈：

ops初始化

可以看到memory_region_initfn()是在object_init_with_type()中被调用的，这是 QEMU 的 QOM 模块，可以简单理解为是对 mr 对象的初始化，这个初始化方法是一个注册的函数指针。

以此类推，我们可以得到 system_memory->subregions 是在哪里被初始化的：

system_memory->subregions

结点关系

进一步watchsystem_memory->subregions

其他subregions是如何被添加进来的

memory_region_update_container_subregions()的过程很简单，最终执行的结果如下：

                      struct MemoryRegion
                    +------------------------+
                    |subregions              |
                    |    QTAILQ_HEAD()       |
                    +------------------------+
                                |
            +-------------------+---------------------+
            |                                         |
            |                                         |
    struct MemoryRegion                      struct MemoryRegion
+------------------------+                +------------------------+
|subregions              |                |subregions              |
|    QTAILQ_HEAD()       |                |    QTAILQ_HEAD()       |
+------------------------+                +------------------------+
      ...                                            ...

QEMU 的 memory-region 组织成树形结构，而地址查找时使用红黑树（Interval Tree）来高效管理地址区间。

address-space 内有一个 root 字段，指向 memory-region 的根节点，这样就实现了一个 address-space 对应一个 memory-region 树，如下：

     AddressSpace
+-------------------------+
|name                     |
|   (char *)              |
|                         |     MemoryRegion(system_memory/system_io)
+-------------------------+          +------------------------+
|root                     |          |subregions              |
|   (MemoryRegion *)      | -------->|    QTAILQ_HEAD()       |
+-------------------------+          +------------------------+
                                                  |
                                                  |
                              +-------------------+---------------------+
                              |                                         |
                   struct MemoryRegion                         struct MemoryRegion
                   +------------------------+                  +------------------------+
                   |subregions              |                  |subregions              |
                   |    QTAILQ_HEAD()       |                  |    QTAILQ_HEAD()       |
                   +------------------------+                  +------------------------+

每个 mr 会对应到具体的内存块 RAMBlock，这个内存块从 Host 申请，作为 Guest 外围设备的存储。

mr 提供了一些类型，用于描述存储设备，常见的有 RAM、ROM、IOMMU、container。

回到 QEMU 的交互终端，使用如下命令，我们可以打印 virt 的 memory-region 分布和对应的外设：

qom-tree

memory-region (mr) 都表示一个可访问的地址块，比如：

• RAM/ROM → 存储内容
• I/O → 设备寄存器
• alias → 地址映射
• container → “容器”，管理子 region

每个 mr 都有 起始偏移（相对于父 region）和 大小。

对于 memory-region container 类型，它包含了其他的 mr，记录每个 mr 的 offset。

container 是一种特殊类型的 memory-region

它自身 不存储数据，也没有直接的读写 handler

作用：

1. 管理子 memory-region
2. 提供地址偏移映射
3. 建立层级化结构

在实际应用场景中，我们可以利用 mr container 创建不同的地址层级关系，可以在地址空间层面清晰地描述不同子系统的关系，对于实现模块化有很好的帮助。

参考：

Learning Qemu Docs

https://gevico.github.io/learning-qemu-docs/