(Linux的虛擬內(nèi)存布局)Linux設(shè)備驅(qū)動編程之內(nèi)存與I/O操作(轉(zhuǎn))

lixin198705

2006-10-27 13:35作者：宋寶華出處：天極開發(fā)責(zé)任編輯：方舟
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Linux設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)入門

　　對于提供了MMU（存儲管理器，輔助操作系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)存管理，提供虛實(shí)地址轉(zhuǎn)換等硬件支持）的處理器而言，Linux提供了復(fù)雜的存儲管理系統(tǒng)，使得進(jìn)程所能訪問的內(nèi)存達(dá)到4GB。
　　進(jìn)程的4GB內(nèi)存空間被人為的分為兩個部分--用戶空間與內(nèi)核空間。用戶空間地址分布從0到3GB(PAGE_OFFSET，在0x86中它等于0xC0000000)，3GB到4GB為內(nèi)核空間，如下圖：

　　內(nèi)核空間中，從3G到vmalloc_start這段地址是物理內(nèi)存映射區(qū)域（該區(qū)域中包含了內(nèi)核鏡像、物理頁框表mem_map等等），比如我們使用的VMware虛擬系統(tǒng)內(nèi)存是160M，那么3G～3G+160M這片內(nèi)存就應(yīng)該映射物理內(nèi)存。在物理內(nèi)存映射區(qū)之后，就是vmalloc區(qū)域。對于160M的系統(tǒng)而言，vmalloc_start位置應(yīng)在3G+160M附近（在物理內(nèi)存映射區(qū)與vmalloc_start期間還存在一個8M的gap來防止躍界），vmalloc_end的位置接近4G(最后位置系統(tǒng)會保留一片128k大小的區(qū)域用于專用頁面映射)，如下圖：

　　kmalloc和get_free_page申請的內(nèi)存位于物理內(nèi)存映射區(qū)域，而且在物理上也是連續(xù)的，它們與真實(shí)的物理地址只有一個固定的偏移，因此存在較簡單的轉(zhuǎn)換關(guān)系，virt_to_phys()可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)核虛擬地址轉(zhuǎn)化為物理地址：
#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address)
{
　return __pa(address);
}
　　上面轉(zhuǎn)換過程是將虛擬地址減去3G（PAGE_OFFSET=0XC000000）。
　　與之對應(yīng)的函數(shù)為phys_to_virt()，將內(nèi)核物理地址轉(zhuǎn)化為虛擬地址：
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
extern inline void * phys_to_virt(unsigned long address)
{
　return __va(address);
}
　　virt_to_phys()和phys_to_virt()都定義在include\asm-i386\io.h中。
　　而vmalloc申請的內(nèi)存則位于vmalloc_start～vmalloc_end之間，與物理地址沒有簡單的轉(zhuǎn)換關(guān)系，雖然在邏輯上它們也是連續(xù)的，但是在物理上它們不要求連續(xù)。
　　我們用下面的程序來演示kmalloc、get_free_page和vmalloc的區(qū)別：
#include
#include
#include
MODULE_LICENSE("GPL");
unsigned char *pagemem;
unsigned char *kmallocmem;
unsigned char *vmallocmem;
int __init mem_module_init(void)
{
　//最好每次內(nèi)存申請都檢查申請是否成功
　//下面這段僅僅作為演示的代碼沒有檢查
　pagemem = (unsigned char*)get_free_page(0);
　printk("pagemem addr=%x", pagemem);
　kmallocmem = (unsigned char*)kmalloc(100, 0);
　printk("kmallocmem addr=%x", kmallocmem);
　vmallocmem = (unsigned char*)vmalloc(1000000);
　printk("vmallocmem addr=%x", vmallocmem);
　return 0;
}
void __exit mem_module_exit(void)
{
　free_page(pagemem);
　kfree(kmallocmem);
　vfree(vmallocmem);
}
module_init(mem_module_init);
module_exit(mem_module_exit);
　　我們的系統(tǒng)上有160MB的內(nèi)存空間，運(yùn)行一次上述程序，發(fā)現(xiàn)pagemem的地址在0xc7997000（約3G+121M）、kmallocmem地址在0xc9bc1380（約3G+155M）、vmallocmem的地址在0xcabeb000（約3G+171M）處，符合前文所述的內(nèi)存布局。
　　接下來，我們討論Linux設(shè)備驅(qū)動究竟怎樣訪問外設(shè)的I/O端口（寄存器）。
　　幾乎每一種外設(shè)都是通過讀寫設(shè)備上的寄存器來進(jìn)行的，通常包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器三大類，外設(shè)的寄存器通常被連續(xù)地編址。根據(jù)CPU體系結(jié)構(gòu)的不同，CPU對IO端口的編址方式有兩種：
　�。�1）I/O映射方式（I/O-mapped）
　　典型地，如X86處理器為外設(shè)專門實(shí)現(xiàn)了一個單獨(dú)的地址空間，稱為"I/O地址空間"或者"I/O端口空間"，CPU通過專門的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）來訪問這一空間中的地址單元。
   （2）內(nèi)存映射方式（Memory-mapped）
　　RISC指令系統(tǒng)的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只實(shí)現(xiàn)一個物理地址空間，外設(shè)I/O端口成為內(nèi)存的一部分。此時，CPU可以象訪問一個內(nèi)存單元那樣訪問外設(shè)I/O端口，而不需要設(shè)立專門的外設(shè)I/O指令。
　　但是，這兩者在硬件實(shí)現(xiàn)上的差異對于軟件來說是完全透明的，驅(qū)動程序開發(fā)人員可以將內(nèi)存映射方式的I/O端口和外設(shè)內(nèi)存統(tǒng)一看作是"I/O內(nèi)存"資源。
　　一般來說，在系統(tǒng)運(yùn)行時，外設(shè)的I/O內(nèi)存資源的物理地址是已知的，由硬件的設(shè)計(jì)決定。但是CPU通常并沒有為這些已知的外設(shè)I/O內(nèi)存資源的物理地址預(yù)定義虛擬地址范圍，驅(qū)動程序并不能直接通過物理地址訪問I/O內(nèi)存資源，而必須將它們映射到核心虛地址空間內(nèi)（通過頁表），然后才能根據(jù)映射所得到的核心虛地址范圍，通過訪內(nèi)指令訪問這些I/O內(nèi)存資源。Linux在io.h頭文件中聲明了函數(shù)ioremap（），用來將I/O內(nèi)存資源的物理地址映射到核心虛地址空間（3GB－4GB）中，原型如下：
void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);
　　iounmap函數(shù)用于取消ioremap（）所做的映射，原型如下：
void iounmap(void * addr);
　　這兩個函數(shù)都是實(shí)現(xiàn)在mm/ioremap.c文件中。
　　在將I/O內(nèi)存資源的物理地址映射成核心虛地址后，理論上講我們就可以象讀寫RAM那樣直接讀寫I/O內(nèi)存資源了。為了保證驅(qū)動程序的跨平臺的可移植性，我們應(yīng)該使用Linux中特定的函數(shù)來訪問I/O內(nèi)存資源，而不應(yīng)該通過指向核心虛地址的指針來訪問。如在x86平臺上，讀寫I/O的函數(shù)如下所示：
#define readb(addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr))
#define readw(addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr))
#define readl(addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr))
#define writeb(b,addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr) = (b))
#define writew(b,addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr) = (b))
#define writel(b,addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr) = (b))
#define memset_io(a,b,c) memset(__io_virt(a),(b),(c))
#define memcpy_fromio(a,b,c) memcpy((a),__io_virt(b),(c))
#define memcpy_toio(a,b,c) memcpy(__io_virt(a),(b),(c))
　　最后，我們要特別強(qiáng)調(diào)驅(qū)動程序中mmap函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。用mmap映射一個設(shè)備，意味著使用戶空間的一段地址關(guān)聯(lián)到設(shè)備內(nèi)存上，這使得只要程序在分配的地址范圍內(nèi)進(jìn)行讀取或者寫入，實(shí)際上就是對設(shè)備的訪問。
　　筆者在Linux源代碼中進(jìn)行包含"ioremap"文本的搜索，發(fā)現(xiàn)真正出現(xiàn)的ioremap的地方相當(dāng)少。所以筆者追根索源地尋找I/O操作的物理地址轉(zhuǎn)換到虛擬地址的真實(shí)所在，發(fā)現(xiàn)Linux有替代ioremap的語句，但是這個轉(zhuǎn)換過程卻是不可或缺的。
　　譬如我們再次摘取S3C2410這個ARM芯片RTC（實(shí)時鐘）驅(qū)動中的一小段：
static void get_rtc_time(int alm, struct rtc_time *rtc_tm)
{
　spin_lock_irq(&rtc_lock);
　if (alm == 1) {
　　rtc_tm->tm_year = (unsigned char)ALMYEAR & Msk_RTCYEAR;
　　rtc_tm->tm_mon = (unsigned char)ALMMON & Msk_RTCMON;
　　rtc_tm->tm_mday = (unsigned char)ALMDAY & Msk_RTCDAY;
　　rtc_tm->tm_hour = (unsigned char)ALMHOUR & Msk_RTCHOUR;
　　rtc_tm->tm_min = (unsigned char)ALMMIN & Msk_RTCMIN;
　　rtc_tm->tm_sec = (unsigned char)ALMSEC & Msk_RTCSEC;
　}
　else {
　　read_rtc_bcd_time:
　　rtc_tm->tm_year = (unsigned char)BCDYEAR & Msk_RTCYEAR;
　　rtc_tm->tm_mon = (unsigned char)BCDMON & Msk_RTCMON;
　　rtc_tm->tm_mday = (unsigned char)BCDDAY & Msk_RTCDAY;
　　rtc_tm->tm_hour = (unsigned char)BCDHOUR & Msk_RTCHOUR;
　　rtc_tm->tm_min = (unsigned char)BCDMIN & Msk_RTCMIN;
　　rtc_tm->tm_sec = (unsigned char)BCDSEC & Msk_RTCSEC;
　　if (rtc_tm->tm_sec == 0) {
　　　/* Re-read all BCD registers in case of BCDSEC is 0.
　　　See RTC section at the manual for more info. */
　　　goto read_rtc_bcd_time;
　　}
　}
　spin_unlock_irq(&rtc_lock);
　BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_year);
　BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_mon);
　BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_mday);
　BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_hour);
　BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_min);
　BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_sec);
　/* The epoch of tm_year is 1900 */
　rtc_tm->tm_year += RTC_LEAP_YEAR - 1900;
　/* tm_mon starts at 0, but rtc month starts at 1 */
　rtc_tm->tm_mon--;
}
　　I/O操作似乎就是對ALMYEAR、ALMMON、ALMDAY定義的寄存器進(jìn)行操作，那這些宏究竟定義為什么呢？
#define ALMDAY bRTC(0x60)
#define ALMMON bRTC(0x64)
#define ALMYEAR bRTC(0x68)
　　其中借助了宏bRTC，這個宏定義為：
#define bRTC(Nb) __REG(0x57000000 + (Nb))
　　其中又借助了宏__REG，而__REG又定義為：
# define __REG(x) io_p2v(x)
　　最后的io_p2v才是真正"玩"虛擬地址和物理地址轉(zhuǎn)換的地方：
#define io_p2v(x) ((x) | 0xa0000000)
　　與__REG對應(yīng)的有個__PREG：
# define __PREG(x) io_v2p(x)
　　與io_p2v對應(yīng)的有個io_v2p：
#define io_v2p(x) ((x) & ~0xa0000000)
　　可見有沒有出現(xiàn)ioremap是次要的，關(guān)鍵問題是有無虛擬地址和物理地址的轉(zhuǎn)換！

    下面的程序在啟動的時候保留一段內(nèi)存，然后使用ioremap將它映射到內(nèi)核虛擬空間，同時又用remap_page_range映射到用戶虛擬空間，這樣一來，內(nèi)核和用戶都能訪問。如果在內(nèi)核虛擬地址將這段內(nèi)存初始化串"abcd"，那么在用戶虛擬地址能夠讀出來：
/************mmap_ioremap.c**************/
#include
#include
#include
#include
#include  /* for mem_map_(un)reserve */
#include  /* for virt_to_phys */
#include  /* for kmalloc and kfree */
MODULE_PARM(mem_start, "i");
MODULE_PARM(mem_size, "i");
static int mem_start = 101, mem_size = 10;
static char *reserve_virt_addr;
static int major;
int mmapdrv_open(struct inode *inode, struct file *file);
int mmapdrv_release(struct inode *inode, struct file *file);
int mmapdrv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma);
static struct file_operations mmapdrv_fops =
{
　owner: THIS_MODULE, mmap: mmapdrv_mmap, open: mmapdrv_open, release:
　mmapdrv_release,
};
int init_module(void)
{
　if ((major = register_chrdev(0, "mmapdrv", &mmapdrv_fops)) vm_pgoff vm_end - vma->vm_start;
　if (size > mem_size *1024 * 1024)
　{
　　printk("size too big\n");
　　return ( - ENXIO);
　}
　offset = offset + mem_start * 1024 * 1024;
　/* we do not want to have this area swapped out, lock it */
　vma->vm_flags |= VM_LOCKED;
　if (remap_page_range(vma, vma->vm_start, offset, size, PAGE_SHARED))
　{
　　printk("remap page range failed\n");
　　return - ENXIO;
　}
　return (0);
}
　　remap_page_range函數(shù)的功能是構(gòu)造用于映射一段物理地址的新頁表，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核空間與用戶空間的映射，其原型如下：
int remap_page_range(vma_area_struct *vma, unsigned long from, unsigned long to, unsigned long size, pgprot_tprot);
　　使用mmap最典型的例子是顯示卡的驅(qū)動，將顯存空間直接從內(nèi)核映射到用戶空間將可提供顯存的讀寫效率。


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