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Linux內核中ioremap映射的透徹理解

幾乎每一種外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行的,通常包括控制寄存器、狀態寄存器和數據寄存器三大類,外設的寄存器通常被連續地編址。根據CPU體系結構的不同,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處理器為外設專門實現了一個單獨的地址空間,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)內存映射方式(Memory-mapped)

RISC指令系統的CPU(如ARM、PowerPC等)通常只實現一個物理地址空間,外設I/O端口成為內存的一部分。此時,CPU可以象訪問一個內存單元那樣訪問外設I/O端口,而不需要設立專門的外設I/O指令。

但是,這兩者在硬件實現上的差異對於軟件來說是完全透明的,驅動程序開發人員可以將內存映射方式的I/O端口和外設內存統一看作是"I/O內存"資源。

一般來說,在系統運行時,外設的I/O內存資源的物理地址是已知的,由硬件的設計決定。但是CPU通常並沒有為這些已知的外設I/O內存資源的物理地址預定義虛擬地址范圍,驅動程序並不能直接通過物理地址訪問I/O內存資源,而必須將它們映射到核心虛地址空間內(通過頁表),然後才能根據映射所得到的核心虛地址范圍,通過訪內指令訪問這些I/O內存資源。Linux在io.h頭文件中聲明了函數ioremap(),用來將I/O內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函數用於取消ioremap()所做的映射,原型如下:

void iounmap(void * addr);

這兩個函數都是實現在mm/ioremap.c文件中。

在將I/O內存資源的物理地址映射成核心虛地址後,理論上講我們就可以象讀寫RAM那樣直接讀寫I/O內存資源了。為了保證驅動程序的跨平台的可移植性,我們應該使用Linux中特定的函數來訪問I/O內存資源,而不應該通過指向核心虛地址的指針來訪問。如在x86平台上,讀寫I/O的函數如下所示:

#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))

最後,我們要特別強調驅動程序中mmap函數的實現方法。用mmap映射一個設備,意味著使用戶空間的一段地址關聯到設備內存上,這使得只要程序在分配的地址范圍內進行讀取或者寫入,實際上就是對設備的訪問。

筆者在Linux源代碼中進行包含"ioremap"文本的搜索,發現真正出現的ioremap的地方相當少。所以筆者追根索源地尋找I/O操作的物理地址轉換到虛擬地址的真實所在,發現Linux有替代ioremap的語句,但是這個轉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(實時鐘)驅動中的一小段:

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定義的寄存器進行操作,那這些宏究竟定義為什麼呢?

#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)

最後的io_p2v才是真正"玩"虛擬地址和物理地址轉換的地方:

#define io_p2v(x) ((x) | 0xa0000000)

與__REG對應的有個__PREG:

# define __PREG(x) io_v2p(x)

與io_p2v對應的有個io_v2p:

#define io_v2p(x) ((x) & ~0xa0000000)

可見有沒有出現ioremap是次要的,關鍵問題是有無虛擬地址和物理地址的轉換!

下面的程序在啟動的時候保留一段內存,然後使用ioremap將它映射到內核虛擬空間,同時又用remap_page_range映射到用戶虛擬空間,這樣一來,內核和用戶都能訪問。如果在內核虛擬地址將這段內存初始化串"abcd",那麼在用戶虛擬地址能夠讀出來:

/************mmap_ioremap.c**************/

#include <linux/module.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/errno.h>

#include <linux/mm.h>

#include <linux/wrapper.h> /* for mem_map_(un)reserve */

#include <asm/io.h> /* for virt_to_phys */

#include <linux/slab.h> /* 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)) < 0)

{

printk("mmapdrv: unable to register character device\n");

return ( - EIO);

}

printk("mmap device major = %d\n", major);

printk("high memory physical address 0x%ldM\n", virt_to_phys(high_memory) /

1024 / 1024);

reserve_virt_addr = ioremap(mem_start *1024 * 1024, mem_size *1024 * 1024);

printk("reserve_virt_addr = 0x%lx\n", (unsigned long)reserve_virt_addr);

if (reserve_virt_addr)

{

int i;

for (i = 0; i < mem_size *1024 * 1024; i += 4)

{

reserve_virt_addr[i] = 'a';

reserve_virt_addr[i + 1] = 'b';

reserve_virt_addr[i + 2] = 'c';

reserve_virt_addr[i + 3] = 'd';

}

}

else

{

unregister_chrdev(major, "mmapdrv");

return - ENODEV;

}

return 0;

}

/* remove the module */

void cleanup_module(void)

{

if (reserve_virt_addr)

iounmap(reserve_virt_addr);

unregister_chrdev(major, "mmapdrv");

return ;

}

int mmapdrv_open(struct inode *inode, struct file *file)

{

MOD_INC_USE_COUNT;

return (0);

}

int mmapdrv_release(struct inode *inode, struct file *file)

{

MOD_DEC_USE_COUNT;

return (0);

}

int mmapdrv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)

{

unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;

unsigned long size = vma->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函數的功能是構造用於映射一段物理地址的新頁表,實現了內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動,將顯存空間直接從內核映射到用戶空間將可提供顯存的讀寫效率。

(在內核驅動程序的初始化階段,通過ioremap()將物理地址映射到內核虛擬空間;在驅動程序的mmap系統調用中,使用remap_page_range()將該塊ROM映射到用戶虛擬空間。這樣內核空間和用戶空間都能訪問這段被映射後的虛擬地址。)

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