浅谈linux - 地址映射ioremap

概述

对于嵌入式处理器而言，访问外设均是通过以地址指针的方式访问，不过在嵌入式系统中，因为MMU（Memory Management Unit）的存在，不管是内核程序还是应用程序都不允许直接访问外设的物理地址。

注意

1、MMU（Memory Management Unit）内存管理单元，主要完成虚拟地址和物理地址的映射。

2、操作系统启动之前都会初始化MMU，设置好内存映射。

3、CPU访问的地址均是虚拟地址。

接口

在linux中使用ioremap/iounmap完成物理地址到虚拟地址的映射，映射后访问虚拟地址就等价于直接访问对应的物理地址。

/* ioremap用于物理地址到虚拟地址的映射，iounmap用于解除映射 */
extern void __iomem *__ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size, pgprot_t prot);
extern void __iounmap(volatile void __iomem *addr);

#define ioremap(addr, size)        __ioremap((addr), (size), __pgprot(PROT_DEVICE_nGnRE))
#define iounmap                    __iounmap

示例

★示例环境：使用正点原子阿尔法Linux开发板，应用ioremap/iounmap接口完成LED驱动实验。

★查看并分析原理图，确定GPIO1-IO03连接LED0，且输出低电平LED点亮，输出高电平LED熄灭。

★通过硬件手册查找相应的物理地址，具体详见imx6ul参考手册：

IO复用（IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03）寄存器

IO属性（IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03）寄存器

数据（GPIOx_DR）寄存器

工作方向（GPIOx_GDIR）寄存器

状态（GPIOx_PSR）寄存器

中断控制（GPIOx_ICR1）寄存器

中断屏蔽（GPIOx_IMR）寄存器

中断状态（GPIOx_ISR）寄存器

边沿选择（GPIOx_EDGE_SEL）寄存器

GPIO1基地址209C000

★对照参考手册各寄存器的位定义，在驱动函数中配置各寄存器，并实现LED的关闭与打开功能。

★包含驱动头文件led_mmap.h和源文件led_mmap.c，应用程序main.c，编译规则文件Makefile（均已验证通过）。

led_mmap.h

/**
 * @Filename : led_mmap.h
 * @Revision : $Revision: 1.00 $
 * @Author : Feng(更多编程相关的知识和源码见微信公众号：不只会拍照的程序猿，欢迎订阅)
 * @Description : led设备驱动定义，mmap示例
**/

#ifndef __LED_MMAP_H__
#define __LED_MMAP_H__

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include  
#include  //ioremap/iounmap
#include "chrdev.h"

#define LED_ON  0x100001
#define LED_OFF 0x100002

/* 寄存器数组偏移 */
#define REG_NUM    5
#define CCM_CCGR1_BASE 0
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE 1
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE 2
#define GPIO1_DR_BASE 3
#define GPIO1_GDIR_BASE  4

/* 物理寄存器信息定义 */
struct t_reg_info {
    unsigned int addr;  /* 寄存器起始地址，物理地址 */
    unsigned int len;   /* 寄存器长度 */

};

/* 驱动类定义 */
struct class_led {
    struct class_chrdev *chrdev;    /* 字符设备对象 */
    void __iomem *reg[REG_NUM];     /* 保存映射后的寄存器信息 */
    unsigned char pin;              /* 保存引脚号 */
};

#endif

led_mmap.c

/**
 * @Filename : led_mmap.c
 * @Revision : $Revision: 1.00 $
 * @Author : Feng(更多编程相关的知识和源码见微信公众号：不只会拍照的程序猿，欢迎订阅)
 * @Description : led设备驱动定义，mmap示例
**/
#include "led_mmap.h"

struct class_led fengled;

/**
 * @LED控制
 * @cmd: LED_ON打开LED，else关闭LED
 */
static long led_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long buf);

static struct file_operations led_fops = {
    .unlocked_ioctl = led_ioctl
};

/* LED寄存器信息定义，物理地址 */
struct t_reg_info preg[] = {
    {
        .addr = 0x020C406C,
        .len = 4,
    },
    {
        .addr = 0x020E0068,
        .len = 4,
    },
    {
        .addr = 0x020E02F4,
        .len = 4,
    },
    {
        .addr = 0x0209C000,
        .len = 4,
    },
    {
        .addr = 0x0209C004,
        .len = 4,
    },
};

/**
 * @打开LED
 * @addr: 寄存器地址     pin：引脚号
 */
static void _led_on(void __iomem * addr, int pin)
{
    unsigned int val = readl(addr);

    val &= ~(1 << pin);
    writel(val, addr);

    printk("led on...\n");
}

/**
 * @关闭LED
 * @addr: 寄存器地址     pin：引脚号
 */
static void _led_off(void __iomem * addr, int pin)
{
    unsigned int val = readl(addr);

    val |= (1 << pin);
    writel(val, addr);

    printk("led off...\n");
}

/**
 * @初始化LED相关寄存器
 * @addr: 寄存器地址（虚拟地址）     pin：引脚号
 */
static void _led_init(void __iomem *reg[], int pin)
{
    unsigned int val;

    /* 使能 GPIO1 时钟 */
    val = readl(reg[CCM_CCGR1_BASE]);
    val &= ~(3 << 26);
    val |= (3 << 26);
    writel(val, reg[CCM_CCGR1_BASE]);

     /* 设置 GPIO1_IO03 的复用功能，将其复用为GPIO1_IO03，最后设置 IO 属性。*/
    writel(5, reg[SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE]);
    /* 寄存器 SW_PAD_GPIO1_IO03 设置 IO 属性 */
    writel(0x10B0, reg[SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE]);

    /* 设置 GPIO1_IO03 为输出功能 */
    val = readl(reg[GPIO1_GDIR_BASE]);
    val &= ~(1 << pin);
    val |= (1 << pin);
    writel(val, reg[GPIO1_GDIR_BASE]);

    /* 默认关闭 LED */
    val = readl(reg[GPIO1_DR_BASE]);
    val |= (1 << pin);
    writel(val, reg[GPIO1_DR_BASE]);
}

/**
 * @LED控制
 * @cmd: LED_ON打开LED，else关闭LED
 */
static long led_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long buf)
{
    if (cmd == LED_ON) 
        _led_on(fengled.reg[GPIO1_DR_BASE], fengled.pin);
     else 
         _led_off(fengled.reg[GPIO1_DR_BASE], fengled.pin);

    return 0;

}

/**
 * @模块入口函数
 */
static int __init led_drv_init(void)
{
    int i;

    /* 内存地址映射 */
    for (i=0; i

main.c

/**
 * @Filename : main.c
 * @Revision : $Revision: 1.00 $
 * @Author : Feng(更多编程相关的知识和源码见微信公众号：不只会拍照的程序猿，欢迎订阅)
 * @Description : led设备应用示例
**/

/*调试宏*/
#define DEBUG

#ifdef DEBUG
#define pr_debug(fmt, ...) printf(fmt, ##__VA_ARGS__)
#else
#define pr_debug(fmt, ...) 
#endif

/*头文件*/
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define LED_ON          0x100001
#define LED_OFF         0x100002

#define LED_DEV_FILE    "/dev/feng_mmapled"

/**
 * @主函数
 * @用户输入/home/app/main on 1   打开LED
**/
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    int num = 1;

    if (argc != 3)  {
        pr_debug("Usage: %s  <1|2|3|4>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    if ((fd = open(LED_DEV_FILE, O_RDWR)) < 0) {
        pr_debug("file open failed...\n");
        return -1;
    }

    num = strtoul(argv[2], NULL, 0);

    if (!strcmp(argv[1], "on"))
        ioctl(fd, LED_ON, &num);
    else if (!strcmp(argv[1], "off"))
        ioctl(fd, LED_OFF, &num);
    else
        pr_debug("input commend wrong...\n");

    close(fd);
    return 0;
}

Makefile

#根文件所在目录
ROOTFS_DIR = /home/feng/atomic/rootfs

#交叉编译工具链
CROSS_COMPILE = arm-linux-gnueabihf-
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc

#目标文件名
TAR_NAME = led

#应用程序名字
APP_NAME = $(TAR_NAME)

#驱动目录路径
DRV_DIR = $(ROOTFS_DIR)/home/drv
DRV_DIR_LIB = $(ROOTFS_DIR)/lib/modules/4.1.15

#动态库目录路径
LIB_DIR = $(ROOTFS_DIR)/home/lib

#应用程序目录路径
APP_DIR = $(ROOTFS_DIR)/home/app

#KERNELRELEASE由内核makefile赋值
ifeq ($(KERNELRELEASE), )

#内核路径
KERNEL_DIR =/home/feng/atomic/resource/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga

#当前文件路径
CURR_DIR = $(shell pwd)

all:
    #编译模块
    make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURR_DIR) modules

    #编译应用程序
    -$(CC) -o $(APP_NAME) main.c

clean:
    #清除模块文件
    make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CURR_DIR) clean

    #清除应用文件
    -rm $(APP_NAME)

install:
    #拷贝模块文件
    #cp -raf $(TAR_KEY_NAME)_drv.ko $(TAR_KEY_NAME)_dev.ko $(DRV_DIR)
    #cp -raf keyin.ko wq.ko timer.ko $(DRV_DIR_LIB)
    cp -raf *.ko $(DRV_DIR_LIB)

    #拷贝应用文件
    -cp -raf $(APP_NAME) $(APP_DIR)
else
#指定编译什么文件
obj-m += $(TAR_NAME)_mmap.o chrdev.o
#obj-m += $(TAR_NAME).o 

endif

结论

1、进入目录，执行make命令编译模块；然后执行make install命令，拷贝模块到目标机指定目录。

feng:mmap$ make
#编译模块
make -C /home/feng/atomic/resource/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga M=/mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/led/mmap modules
make[1]: 进入目录“/home/feng/atomic/resource/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga”
  CC [M]  /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/led/mmap/led_mmap.o
  CC [M]  /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/led/mmap/chrdev.o
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 2 modules
  CC      /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/led/mmap/chrdev.mod.o
  LD [M]  /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/led/mmap/chrdev.ko
  CC      /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/led/mmap/led_mmap.mod.o
  LD [M]  /mnt/hgfs/Share/linux/atomic/driver/led/mmap/led_mmap.ko
make[1]: 离开目录“/home/feng/atomic/resource/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga”
#编译应用程序
arm-linux-gnueabihf-gcc -o led main.c
feng:mmap$ make install 
#拷贝模块文件
#cp -raf _drv.ko _dev.ko /home/feng/atomic/rootfs/home/drv
#cp -raf keyin.ko wq.ko timer.ko /home/feng/atomic/rootfs/lib/modules/4.1.15
cp -raf *.ko /home/feng/atomic/rootfs/lib/modules/4.1.15
#拷贝应用文件
cp -raf led /home/feng/atomic/rootfs/home/app
feng:mmap$ 

2、在目标机上执行modprobe命令加载模块。

注意：在模块加载之前，需要先调用depmod命令，生成模块依赖文件。

/ # depmod
/ # modprobe led_mmap.ko
register chrdev ok...
/ # lsmod
Module                  Size  Used by    Tainted: G  
led_mmap                1320  0 
chrdev                  1392  1 led_mmap
/ # 

3、在目标机上运行应用测试程序打开LED，观察开发板LED是否点亮。

/ # /home/app/led on 1
led on...
/ # 

4、在目标机上运行应用测试程序关闭LED，观察开发板LED是否熄灭。

/ # /home/app/led off 1
led off...
/ # 

5、在目标机上执行modprobe -r命令卸载模块。

/ # modprobe -r led_mmap.ko
/ # lsmod
Module                  Size  Used by    Tainted: G  
/ #     

6、综上、示例驱动利用ioremap函数将物理地址映射到虚拟地址空间，完成LED驱动相关操作。

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