经典]Linux内核中ioremap映射的透彻理解【转】

简介:

转自:http://blog.csdn.net/lanyang123456/article/details/7403514

几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的,通常包括控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类,外设的寄存器通常被连续地编址。根据CPU体系结构的不同,CPU对IO端口的编址方式有两种:

(1)I/O映射方式(I/O-mapped)

典型地,如X86处理器为外设专门实现了一个单独的地址空间,称为"I/O地址空间"或者"I/O端口空间",CPU通过专门的I/O指令(如X86的IN和OUT指令)来访问这一空间中的地址单元。

  (2)内存映射方式(Memory-mapped)

RISC指令系统的CPU(如ARM、PowerPC等)通常只实现一个物理地址空间,外设I/O端口成为内存的一部分。此时,CPU可以象访问一个内存单元那样访问外设I/O端口,而不需要设立专门的外设I/O指令。

但是,这两者在硬件实现上的差异对于软件来说是完全透明的,驱动程序开发人员可以将内存映射方式的I/O端口和外设内存统一看作是"I/O内存"资源。

一般来说,在系统运行时,外设的I/O内存资源的物理地址是已知的,由硬件的设计决定。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围,驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源,而必须将它们映射到核心虚地址空间内(通过页表),然后才能根据映射所得到的核心虚地址范围,通过访内指令访问这些I/O内存资源。Linux在io.h头文件中声明了函数ioremap(),用来将I/O内存资源的物理地址映射到核心虚地址空间(3GB-4GB)中,原型如下:

 

void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);


iounmap函数用于取消ioremap()所做的映射,原型如下:

void iounmap(void * addr);


这两个函数都是实现在mm/ioremap.c文件中。

在将I/O内存资源的物理地址映射成核心虚地址后,理论上讲我们就可以象读写RAM那样直接读写I/O内存资源了。为了保证驱动程序的跨平台的可移植性,我们应该使用Linux中特定的函数来访问I/O内存资源,而不应该通过指向核心虚地址的指针来访问。如在x86平台上,读写I/O的函数如下所示:

#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,我们要特别强调驱动程序中mmap函数的实现方法。用mmap映射一个设备,意味着使用户空间的一段地址关联到设备内存上,这使得只要程序在分配的地址范围内进行读取或者写入,实际上就是对设备的访问。

笔者在Linux源代码中进行包含"ioremap"文本的搜索,发现真正出现的ioremap的地方相当少。所以笔者追根索源地寻找I/O操作的物理地址转换到虚拟地址的真实所在,发现Linux有替代ioremap的语句,但是这个转换过程却是不可或缺的。

譬如我们再次摘取S3C2410这个ARM芯片RTC(实时钟)驱动中的一小段:

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操作似乎就是对ALMYEAR、ALMMON、ALMDAY定义的寄存器进行操作,那这些宏究竟定义为什么呢?

#define ALMDAY bRTC(0x60)
#define ALMMON bRTC(0x64)
#define ALMYEAR bRTC(0x68)


其中借助了宏bRTC,这个宏定义为:

#define bRTC(Nb) __REG(0x57000000 + (Nb))


其中又借助了宏__REG,而__REG又定义为:

# define __REG(x) io_p2v(x)


最后的io_p2v才是真正"玩"虚拟地址和物理地址转换的地方: 

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


与__REG对应的有个__PREG:

# define __PREG(x) io_v2p(x)


与io_p2v对应的有个io_v2p:

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


可见有没有出现ioremap是次要的,关键问题是有无虚拟地址和物理地址的转换!

 

 

  下面的程序在启动的时候保留一段内存,然后使用ioremap将它映射到内核虚拟空间,同时又用remap_page_range映射到用户虚拟空间,这样一来,内核和用户都能访问。如果在内核虚拟地址将这段内存初始化串"abcd",那么在用户虚拟地址能够读出来:

 

/************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函数的功能是构造用于映射一段物理地址的新页表,实现了内核空间与用户空间的映射,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最典型的例子是显示卡的驱动,将显存空间直接从内核映射到用户空间将可提供显存的读写效率。

 

 

      (在内核驱动程序的初始化阶段,通过ioremap()将物理地址映射到内核虚拟空间;在驱动程序的mmap系统调用中,使用remap_page_range()将该块ROM映射到用户虚拟空间。这样内核空间和用户空间都能访问这段被映射后的虚拟地址。)

 

 

转自<http://blog.csdn.net/do2jiang/article/details/5450839>

ioremap的使用在《深入理解Linux内核》第三版 p544 有简短的介绍。












本文转自张昺华-sky博客园博客,原文链接:http://www.cnblogs.com/sky-heaven/p/4757020.html,如需转载请自行联系原作者

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