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* rust重构mmio_buddy和mmio * mmio-buddy文档 --------- Co-authored-by: longjin <longjin@RinGoTek.cn>
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# MMIO
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MMIO是“内存映射IO”的缩写，它被广泛应用于与硬件设备的交互之中。
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## 地址空间管理
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DragonOS中实现了MMIO地址空间的管理机制，本节将介绍它们。
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### 为什么需要MMIO地址空间自动分配？
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  由于计算机上的很多设备都需要MMIO的地址空间，而每台计算机上所连接的各种设备的对MMIO地址空间的需求是不一样的。如果我们为每个类型的设备都手动指定一个MMIO地址，会使得虚拟地址空间被大大浪费，也会增加系统的复杂性。并且，我们在将来还需要为不同的虚拟内存区域做异常处理函数。因此，我们需要一套能够自动分配MMIO地址空间的机制。
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### 这套机制提供了什么功能？
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- 为驱动程序分配4K到1GB的MMIO虚拟地址空间
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- 对于这些虚拟地址空间，添加到VMA中进行统一管理
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- 可以批量释放这些地址空间
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### 这套机制是如何实现的？
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  这套机制本质上是使用了伙伴系统来对MMIO虚拟地址空间进行维护。在`mm/mm.h`中指定了MMIO的虚拟地址空间范围，这个范围是`0xffffa10000000000`开始的1TB的空间。也就是说，这个伙伴系统为MMIO维护了这1TB的虚拟地址空间。
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### 地址空间分配过程
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1. 初始化MMIO-mapping模块，在mmio的伙伴系统中创建512个1GB的`__mmio_buddy_addr_region`
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2. 驱动程序使用`mmio_create`请求分配地址空间。
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3. `mmio_create`对申请的地址空间大小按照2的n次幂进行对齐，然后从buddy中申请内存地址空间
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4. 创建VMA，并将VMA标记为`VM_IO|VM_DONTCOPY`。MMIO的vma只绑定在`initial_mm`下，且不会被拷贝。
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5. 分配完成
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一旦MMIO地址空间分配完成，它就像普通的vma一样，可以使用mmap系列函数进行操作。
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### MMIO的映射过程
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  在得到了虚拟地址空间之后，当我们尝试往这块地址空间内映射内存时，我们可以调用`mm_map`函数，对这块区域进行映射。
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  该函数会对MMIO的VMA的映射做出特殊处理。即：创建`Page`结构体以及对应的`anon_vma`. 然后会将对应的物理地址，填写到页表之中。
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### MMIO虚拟地址空间的释放
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  当设备被卸载时，驱动程序可以调用`mmio_release`函数对指定的mmio地址空间进行释放。
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  释放的过程中，`mmio_release`将执行以下流程：
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1. 取消mmio区域在页表中的映射。
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2. 将释放MMIO区域的VMA
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3. 将地址空间归还给mmio的伙伴系统。
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## MMIO的伙伴算法
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### 伙伴的定义
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  同时满足以下三个条件的两个内存块被称为伙伴内存块：
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1. 两个内存块的大小相同
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2. 两个内存块的内存地址连续
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3. 两个内存块由同一个大块内存分裂得到
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### 伙伴算法
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  伙伴（buddy）算法的作用是维护以及组织大块连续内存块的分配和回收，以减少系统时运行产生的外部碎片。伙伴系统中的每个内存块的大小均为$2^n$。 在DragonOS中，伙伴系统内存池共维护了1TB的连续存储空间，最大的内存块大小为$1G$，即$2^{30}B$，最小的内存块大小为$4K$，即 $2^{12}B$。
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  伙伴算法的核心思想是当应用申请内存时，每次都分配比申请的内存大小更大的最小内存块，同时分配出去的内存块大小为$2^nB$。（e.g. 假设某应用申请了$3B$内存，显然并没有整数值n，使$2^n = 3$ ，且$3 \in [2^1,2^2]$，所以系统会去取一块大小为$2^2B$的内存块，将它分配给申请的应用，本次申请内存操作顺利完成。）
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  那么当伙伴系统中没有如此“合适”的内存块时该怎么办呢？系统先会去寻找更大的内存块，如果找到了，则会将大内存块分裂成合适的内存块分配给应用。（e.g. 假设申请$3B$内存，此时系统中比$3B$大的最小内存块的大小为$16B$，那么$16B$会被分裂成两块$8B$的内存块，一块放入内存池中，一块继续分裂成两块$4B$的内存块。两块$4B$的内存块，一块放入内存池中，一块分配给应用。至此，本次申请内存操作顺利完成。）
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  如果系统没有找到更大的内存块，系统将会尝试合并较小的内存块，直到符合申请空间的大小。（e.g. 假设申请$3B$内存，系统检查内存池发现只有两个$2B$的内存块，那么系统将会把这两个$2B$的内存块合并成一块$4B$的内存块，并分配给应用。至此，本次申请内存操作顺利完成。）
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  最后，当系统既没有找到大块内存，又无法成功合并小块内存时，就会通知应用内存不够，无法分配内存。
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### 伙伴算法的数据结构
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```
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MmioBuddyMemPool
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┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
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│ │
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│ pool_start_addr │
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│ │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ │
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│ pool_size │
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│ │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ │
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│ │
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│ free_regions │
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│ │
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│ ┌────────────┐ │
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│ │ │ ┌───────┐ ┌────────┐ │
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│ │ ┌────────┬─┼────►│ ├────►│ │ │
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│ │ │ list │ │ │ vaddr │ │ vaddr │ │
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│ │ │ │◄├─────┤ │◄────┤ │ │
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│ MmioFreeRegionList├────────┤ │ └───────┘ └────────┘ │
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│ │ │num_free│ │ │
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│ │ └────────┘ │ MmioBuddyAddrRegion │
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│ MMIO_BUDDY_MIN_EXP - 12 │ 0 │ │
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│ ├────────────┤ │
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│ │ 1 │ │
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│ ├────────────┤ │
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│ │ 2 │ │
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│ ├────────────┤ │
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│ │ 3 │ │
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│ ├────────────┤ │
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│ │ ... │ │
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│ ├────────────┤ │
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│ │ ... │ │
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│ ├────────────┤ │
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│ MMIO_BUDDY_MAX_EXP - 12 │ 18 │ │
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│ └────────────┘ │
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│ │
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│ │
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│ │
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└─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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```
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```rust
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/// 最大的内存块为1G，其幂为30
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const MMIO_BUDDY_MAX_EXP: u32 = PAGE_1G_SHIFT;
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/// 最小的内存块为4K，其幂为12
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const MMIO_BUDDY_MIN_EXP: u32 = PAGE_4K_SHIFT;
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/// 内存池数组的大小为18
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const MMIO_BUDDY_REGION_COUNT: u32 = MMIO_BUDDY_MAX_EXP - MMIO_BUDDY_MIN_EXP + 1;
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/// buddy内存池
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pub struct MmioBuddyMemPool {
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/// 内存池的起始地址
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pool_start_addr: u64,
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/// 内存池大小：初始化为1TB
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pool_size: u64,
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/// 空闲内存块链表数组
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/// MMIO_BUDDY_REGION_COUNT = MMIO_BUDDY_MAX_EXP - MMIO_BUDDY_MIN_EXP + 1
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free_regions: [SpinLock<MmioFreeRegionList>; MMIO_BUDDY_REGION_COUNT as usize],
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}
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/// 空闲内存块链表结构体
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pub struct MmioFreeRegionList {
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/// 存储了空闲内存块信息的结构体的链表
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list: LinkedList<Box<MmioBuddyAddrRegion>>,
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/// 当前链表空闲块的数量
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num_free: i64,
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}
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/// mmio伙伴系统内部的地址区域结构体
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pub struct MmioBuddyAddrRegion {
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||
/// 内存块的起始地址
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vaddr: u64,
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}
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```
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### 设计思路
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  DragonOS中，使用`MmioBuddyMemPool`结构体作为buddy（为表述方便，以下将伙伴算法简称为buddy）内存池的数据结构，其记录了内存池的起始地址（pool_start_addr）以及内存池中内存块的总大小（pool_size），同时其维护了大小为`MMIO_BUDDY_REGION_COUNT`的双向链表数组（free_regions）。`free_regions`中的各个链表维护了若干空闲内存块（MmioBuddyAddrRegion）。
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  `free_regions`的下标（index）与内存块的大小有关。由于每个内存块大小都为$2^{n}$ bytes，那么可以令$exp = n$。index与exp的换算公式如下：$index = exp - 12$。e.g. 一个大小为$2^{12}$ bytes的内存块，其$exp = 12$，使用上述公式计算得$index = 12 -12 = 0$，所以该内存块会被存入`free_regions[0].list`中。通过上述换算公式，每次取出或释放$2^n$大小的内存块，只需要操作`free_regions[n -12]`即可。DragonOS中，buddy内存池最大的内存块大小为$1G = 2^{30}bytes$，最小的内存块大小为 $4K = 2^{12} bytes$，所以$index\in[0,18]$。
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  作为内存分配机制，buddy服务于所有进程，为了解决在各个进程之间实现free_regions中的链表数据同步的问题，`free_regions`中的链表类型采用加了 {ref}`自旋锁 <_spinlock_doc_spinlock>`（SpinLock）的空闲内存块链表（MmioFreeRegionList），`MmioFreeRegionList`中封装有真正的存储了空闲内存块信息的结构体的链表（list）和对应链表长度（num_free）。有了自选锁后，同一时刻只允许一个进程修改某个链表，如取出链表元素（申请内存）或者向链表中插入元素（释放内存）。
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  `MmioFreeRegionList`中的元素类型为`MmioBuddyAddrRegion`结构体，`MmioBuddyAddrRegion`记录了内存块的起始地址（vaddr）。
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### 伙伴算法内部api
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**P.S 以下函数均为MmioBuddyMemPool的成员函数。系统中已经创建了一个MmioBuddyMemPool类型的全局引用`MMIO_POOL`，如要使用以下函数，请以`MMIO_POOL.xxx()`形式使用，以此形式使用则不需要传入self。**
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| **函数名** | **描述** |
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|:----------------------------------------------------------------- |:--------------------------------------------------------- |
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| __create_region(&self, vaddr) | 将虚拟地址传入，创建新的内存块地址结构体 |
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| __give_back_block(&self, vaddr, exp) | 将地址为vaddr，幂为exp的内存块归还给buddy |
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| __buddy_split(&self,region,exp,list_guard) | 将给定大小为$2^{exp}$的内存块一分为二，并插入内存块大小为$2^{exp-1}$的链表中 |
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| __query_addr_region(&self,exp,list_guard) | 从buddy中申请一块大小为$2^{exp}$的内存块 |
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| mmio_buddy_query_addr_region(&self,exp) | 对query_addr_region进行封装，**请使用这个函数，而不是__query_addr_region** |
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| __buddy_add_region_obj(&self,region,list_guard) | 往指定的地址空间链表中添加一个内存块 |
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| __buddy_block_vaddr(&self, vaddr, exp) | 根据地址和内存块大小，计算伙伴块虚拟内存的地址 |
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| __pop_buddy_block( &self, vaddr,exp,list_guard) | 寻找并弹出指定内存块的伙伴块 |
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| __buddy_pop_region( &self, list_guard) | 从指定空闲链表中取出内存区域 |
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| __buddy_merge(&self,exp,list_guard,high_list_guard) | 合并所有$2^{exp}$大小的内存块 |
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| __buddy_merge_blocks(&self,region_1,region_2,exp,high_list_guard) | 合并两个**已经从链表中取出的**内存块 |
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### 伙伴算法对外api
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| **函数名** | **描述** |
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| ----------------------------------------------- | ------------------------------------------- |
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| __mmio_buddy_init() | 初始化buddy系统，**在mmio_init()中调用，请勿随意调用** |
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| __exp2index(exp) | 将$2^{exp}$的exp转换成内存池中的数组的下标（index） |
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| mmio_create(size,vm_flags,res_vaddr,res_length) | 创建一块根据size对齐后的大小的mmio区域，并将其vma绑定到initial_mm |
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| mmio_release(vaddr, length) | 取消地址为vaddr，大小为length的mmio的映射并将其归还到buddy中 |
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