I/O函数 writel __raw_writel mb()/rmb()/wmb()

在邮件列表里讨论了一下writel是如何实现的，这个函数实现在操作系统层，有内存保护的情况下，往一个寄存器或者内存地址写一个数据。

 

在arch/alpha/kernel/io.c中有

188 void writel(u32 b, volatile void __iomem *addr)
189 {
190     __raw_writel(b, addr);
191     mb();
192 }
 

 

这样一个writel函数的作用应该是向一个地址上写一个值，我想知道这个函数底下具体实现的细节，于是往下继续跟踪代码：__raw_writel(b, addr);
 

129 void __raw_writel(u32 b, volatile void __iomem *addr)
130 {
131     IO_CONCAT(__IO_PREFIX,writel)(b, addr);
132 }
 

再往下跟踪 IO_CONCAT，在对应的io.h中的定义如下：

134 #define IO_CONCAT(a,b)  _IO_CONCAT(a,b)
135 #define _IO_CONCAT(a,b) a ## _ ## b

这段代码前几天问过了，是标示将两边的字符串连接起来的意思。

跟踪__IO_PREFIX 定义如下

501 #undef __IO_PREFIX
502 #define __IO_PREFIX     apecs

 

到这里就结束了，再往下我就晕了，有问题如下：

1、到底是怎么将数据写入地址的？我把这些单独提取出来，进行预编译，宏展开后，发现是这样的：

void __raw_writel(                                )
{
    apecs_writel(b, addr);
}

但是在内核里根本就没找到apecs_writel函数，请帮忙解释下。

 

 

For the first question,
you should refer to the file "arch\alpha\kernle\Machvec_impl.h"
"~\Machve.h" "~\io.c" "~\io.h" "~\core_**.h".

as you have analysized before, in the file Machvec_impl.h and Machve.h,
DO_CIA_IO,IO,IO_LITE, these three macros implement the symbole
connection between ** arch and writel function, and the function
pointer initializations.
so, the details implementation to writel is to init the
alpha_machine_vector structure and the definition to the relevant
function pointer invoked to complete the low-level write operation.

.mv_writel =CAT(low,_writel),<---IO(CIA,cia)<-->cia_writel(b, addr); <---

                                |
writel(b, addr)-->__raw_writel(b, addr);--->cia_writel(b,addr)---------------


For the second quesiton,
mb()--->__asm__ __volatile__("mb": : :"memory");
so, it is a memory barrier for alpha architecture to ensure some
operations before some actions could be occured.
and, it is similiar with the barrier() in x86 platform/arm platform.

 

 

继续阅读代码，看看定义__IO_PREFIX之后紧接着包含了哪个头文件。在哪个头文
件里面寻找答案。对于你的apsec，看看以下代码段（linux-2.6.28-rc4）

arch/alpha/include/asm/core_apecs.h
------------------------------------------
#undef __IO_PREFIX
#define __IO_PREFIX             apecs
#define apecs_trivial_io_bw     0
#define apecs_trivial_io_lq     0
#define apecs_trivial_rw_bw     2
#define apecs_trivial_rw_lq     1
#define apecs_trivial_iounmap   1
#include
------------------------------------------

arch/alpha/include/asm/io_trivial.h
------------------------------------------
__EXTERN_INLINE void
IO_CONCAT(__IO_PREFIX,writel)(u32 b, volatile void __iomem *a)
{
       *(volatile u32 __force *)a = b;
}

 就是最终通过*(volatile u32 __force *)a = b;
来写入数据的。

 如果在没有os，没有mmu的情况下，当开发板裸跑的时候，我们只需要一句话就一切ok：

*(unsigned long *)addr = value;

 

在阅读linux 2.6.23内核代码中遇到mb()/rmb()/wmb() 这几个宏，不明白如何使用，
在分析其汇编代码后，大概的了解了这和内存屏障有关，代码如下：

#define X86_FEATURE_XMM2 (0*32+26) /* Streaming SIMD Extensions-2 */

......

#define mb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "mfence", X86_FEATURE_XMM2)
#define rmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "lfence", X86_FEATURE_XMM2)

#ifdef CONFIG_X86_OOSTORE
/* Actually there are no OOO store capable CPUs for now that do SSE, 
but make it already an possibility. */
#define wmb() alternative("lock; addl $0,0(%%esp)", "sfence", X86_FEATURE_XMM)
#else
#define wmb() __asm__ __volatile__ ("": : :"memory")
#endif

.......

/*
* Alternative instructions for different CPU types or capabilities.
*
* This allows to use optimized instructions even on generic binary
* kernels.
*
* length of oldinstr must be longer or equal the length of newinstr
* It can be padded with nops as needed.
*
* For non barrier like inlines please define new variants
* without volatile and memory clobber.
*/
#define alternative(oldinstr, newinstr, feature) \
asm volatile ("661:\n\t" oldinstr "\n662:\n" \
      ".section .altinstructions,\"a\"\n" \
      "   .align 4\n" \
      "   .long 661b\n"          /* label */ \
      "   .long 663f\n"    /* new instruction */ \
      "   .byte %c0\n"          /* feature bit */ \
      "   .byte 662b-661b\n"    /* sourcelen */ \
      "   .byte 664f-663f\n"    /* replacementlen */ \
      ".previous\n" \
      ".section .altinstr_replacement,\"ax\"\n" \
      "663:\n\t" newinstr "\n664:\n" /* replacement */\
      ".previous" :: "i" (feature) : "memory")

内存屏障主要解决的问题是编译器的优化和CPU的乱序执行。
编译器在优化的时候，生成的汇编指令可能和c语言程序的执行顺序不一样，在需要 程序严格按照c语言顺序执行时，需要显式的告诉编译不需要优化，这在linux下是通过barrier()宏完成的，它依靠volidate关键字和 memory关键字，前者告诉编译barrier()周围的指令不要被优化，后者作用是告诉编译器汇编代码会使内存里面的值更改，编译器应使用内存里的新 值而非寄存器里保存的老值。
同样，CPU执行会通过乱序以提高性能。汇编里的指令不一定是按照我们看到的顺序执行的。linux中通过mb()系 列宏来保证执行的顺序。具体做法是通过mfence/lfence指令（它们是奔4后引进的，早期x86没有）以及x86指令中带有串行特性的指令（这样 的指令很多，例如linux中实现时用到的lock指令，I/O指令，操作控制寄存器、系统寄存器、调试寄存器的指令、iret指令等等）。简单的说，如 果在程序某处插入了mb()/rmb()/wmb()宏，则宏之前的程序保证比宏之后的程序先执行，从而实现串行化。wmb的实现和barrier()类 似，是因为在x86平台上，写内存的操作不会被乱序执行。
实际上在RSIC平台上，这些串行工作都有专门的指令由程序员显式的完成，比如在需要的地方调用串行指令，而不像x86上有这么多隐性的带有串行特性指令（例如lock指令）。所以在risc平台下工作的朋友通常对串行化操作理解的容易些。

因为对别的平台不了解，下面仅谈它们在ARM上的区别

__raw_writel： 因为有volatile关键字， 所以编译器不会打乱多个__raw_writel的执行顺序。

对于ARM而言，当多个写以代码的顺序到达相同设备时，执行的顺序也是被保证的，不过

对于不同的设备，执行的顺序就不被保证了。

write_relaxed： 在ARM平台上与__raw_writel一样，因为与__raw_writel相比，它只多做

了一个大端到小端转换。

writel： 当CONFIG_ARM_DMA_MEM_BUFFERABLE被定义时，在写之前，它会多做

一个DSB和L2的sync。 为什么需要这样呢？ 因为，DMA buffer都是 bufferable了，

（详见加入CONFIG_ARM_DMA_MEM_BUFFERABLE的commit log）

在DMA进行之前要保证write buffer里的数据都到memory里。

所以说： 只有在有DMA操作的代码里，writel才是必须的，其实它是一个

当DMA buffer变成bufferable之后的一个补充品。因为要保证DMA buffer里的

内容在DMA开始之前都到memory里，所以开始DMA的指令(writel)里加了

sync memory的指令。

其实： writel也不能保证写的东西一定完成，它只能保证写的指令或写的内容

已经到了设备端，但具体有没有写完成是不知道的。如果有一定要设备端

写完成才能做下面的指令的要求，最好再用readl把它读回来。

几个常用的宏：likely和unlikely __raw_writel

在源码中，宏likely和unlikely 是这么定义的（位于include/linux/compiler.h）：

#define likely(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)

要理解宏likely和unlikely ，很明显必须理解__builtin_expect。__builtin_expect是GCC(version>=2.9)引进的宏，其作用就是帮助编译器判断条件跳转的预期值，避免跳转造成时间浪费。拿下面的代码来说：

if (likely(acat == 1))     //表示大多数情况下if里面是真，程序大多数直接执行if里面的程序

而

if (unlikely (thread_memory_magazine1_is_empty (tmem, ix)))//表示大多数情况if里面为假，程序大多数直接执行else里面的程序

两段代码编译生成的汇编语句所使用到的跳转指令不一样，仔细分析下会发现__builtin_expect实际上是为了满足在大多数情况不执行跳转指令，所以__builtin_expect仅仅是告诉编译器优化，并没有改变其对真值的判断。

有关文章：http://kernelnewbies.org/FAQ/LikelyUnlikely

              http://hi.baidu.com/lammy/blog/item/bc5e3d4e869073c3d1c86a89.html

              http://www.cublog.cn/u/31100/showart_240658.html

__raw_writel到底干了些什么?

在linux/arch/arm/mach-at91/gpio.c 中 at91_set_gpio_output函数看到这个宏

int __init_or_module at91_set_gpio_output(unsigned pin, int value)

{

void __iomem *pio = pin_to_controller(pin);

unsigned mask = pin_to_mask(pin);

 

if (!pio)

return -EINVAL;

 

__raw_writel(mask, pio + PIO_IDR);

__raw_writel(mask, pio + PIO_PUDR);

__raw_writel(mask, pio + (value ? PIO_SODR : PIO_CODR));

__raw_writel(mask, pio + PIO_OER);

__raw_writel(mask, pio + PIO_PER);

return 0;

}

定义是：

#define __raw_writel(v,a) (__chk_io_ptr(a), *(volatile unsigned int __force *)(a) = (v)) 
# define __chk_io_ptr(x) (void)0

这样看就是赋值， 
__chk_io_ptr()是编译器为了更细致地检查参数的属性，用于调试，正常编译时没有作用。 
volatile为了防止Compiler优化，说明它是一个随时被改变的量，每次使用它的时候，不应该被假设，而要从相应的寄存器中读取。