Linux设备驱动编程之内存与I/O操作

Linux设备驱动编程之内存与I/O操作

2006-10-27 13:35作者:宋宝华出处:天极开发责任编辑:方舟

  (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!

转载于:https://www.cnblogs.com/yuzaipiaofei/archive/2012/03/27/4124224.html

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