内核内存管理(lv11-day8)

1 内核内存管理框架

内核将物理内存等分成N块,4KB称之为一页，每页都用一个struct page来表示，采用伙伴关系算法维护。

3G~3G+896M：低端内存，直接映射 虚拟地址 = 3G + 物理地址
细分为：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL
​ 分配方式：

kmalloc:小内存分配，slab算法
get_free_page：整页分配，2的n次方页，n最大为10

大于3G+896M：高端内存
​ 细分为：vmalloc区、持久映射区、固定映射区
​

分配方式：vmalloc：虚拟地址连续，物理地址不连续

内核地址空间划分图：

2 内核中常用动态分配

2.1 kmalloc

kmalloc() 申请的内存位于直接映射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因为存在较简单的转换关系，所以对申请的内存大小有限制，不能超过128KB。
函数原型

/**
  * @brief          动态申请内存
  * @param[in]      size_t size:申请的内存大小  gfp_t flags：分配内存的方法
  * 较常用的 flags
  * GFP_ATOMIC:
  * 分配内存的过程是一个原子过程，分配内存的过程不会被（高优先级进程或中断）打断；
  * GFP_KERNEL:
  * 正常分配内存；
  * GFP_DMA:
  * 给DMA控制器分配内存，需要使用该标志（DMA要求分配虚拟地址和物理地址连续）。
  * @retval         申请的内存地址
  */
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

flags 的参考用法：

|– 进程上下文，可以睡眠　　　　　 GFP_KERNEL 　
|– 异常上下文，不可以睡眠　　　　 GFP_ATOMIC
|　　|–中断处理程序　　　　　　　 GFP_ATOMIC
|　　|– 软中断　　　　　　　　　 GFP_ATOMIC 　
|　　|–Tasklet　　　　　　　　　 GFP_ATOMIC
|– 用于DMA的内存，可以睡眠　　 GFP_DMA|GFP_KERNEL 　
|– 用于DMA的内存，不可以睡眠　　 GFP_DMA |GFP_ATOMIC

对应的内存释放函数为：

/**
  * @brief          释放内存
  * @param[in]      const void *objp: kmalloc返回的内存地址  
  * @retval         NULL
  */
void kfree(const void *objp);

2.2 vmalloc（可以睡眠）

vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存，因此对申请的内存大小没有限制，如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。

/**
  * @brief          申请内存
  * @param[in]      unsigned long size: 申请内存的大小  
  * @retval         申请的内存地址
  */
void *vmalloc(unsigned long size);

对应的内存释放函数为：

/**
  * @brief          释放内存
  * @param[in]      const void *addr：vmalloc的返回地址 
  * @retval         NULL
  */
void vfree(const void *addr);

注意：vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠，因此不能从异常上下文调用。

2.3 kmalloc & vmalloc 的比较

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特点是：

1. 用于申请内核空间的内存；
2. 内存以字节为单位进行分配；
3. 所分配的内存虚拟地址上连续；

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：

1. kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
2. kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
3. kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的，但是 vmalloc 不能保证；
4. kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞；
5. kmalloc 分配内存的开销小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快；

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。

2.5分配选择原则：

1. 小内存（< 128k）用kmalloc,大内存用vmalloc或get_free_page
2. 如果需要比较大的内存，并且要求使用效率较高时用get_free_page,否则用vmalloc

3 IO访问-------访问外设控制器的寄存器

两种方式：

1. IO端口：X86上用IO指令访问
2. IO内存：外设寄存器在SOC芯片手册上都有相应物理地址

IO 操作函数

/**
  * @brief          实现IO管脚的映射
  * @param[in]      offset:该管脚的偏移地址
                    Size:该管脚映射空间的大小 
  * @retval         成功返回映射的虚拟地址,失败NULL
  */
static inline void __iomem *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size)

/**
  * @brief          解除io管脚的映射
  * @param[in]      addr:io管脚映射的地址             
  * @retval         
  */
static inline void iounmap(volatile void __iomem *addr)

/**
  * @brief          读取寄存器的值
  * @param[in]      addr 地址            
  * @retval         读到的数据
  */
unsigned readb(void *addr);//1字节 或ioread8(void *addr)
unsigned readw(void *addr);//2字节 或ioread16(void *addr)
unsigned readl(void *addr);//4字节 或ioread32(void *addr)

/**
  * @brief              向指定的寄存器中，写入数据。
  * @param[in]      value：待写入寄存器中的数据
                             Address：寄存器的虚拟地址         
  * @retval           NULL
  */
void writeb(unsigned value, void *addr);//1字节 或iowrite8(u8 value, void *addr)
void writew(unsigned value, void *addr);//2字节 或iowrite16(u16 value, void *addr)
voidwritel(unsigned value, void *addr);//4字节 或iowrite32(u32 value, void *addr)

4 led驱动

4.1读原理图

通过原理图可知F14412LED为高电平导通.

4.2 查阅SOC芯片手册

fs4412 总共有4个led灯其操作寄存器和地址如下：

GPX2_7 led2
GPX2CON----0x11000C40—28~31-----0001
GPX2DAT-----0x11000C44-----7

GPX1_0 led3
GPX1CON----0x11000C20—0~3-----0001
GPX1DAT----0x11000C24-----0

GPF3_4 led4
GPF3CON----0x114001E0—16~19-----0001
GPF3DAT----0x114001E4-----4

GPF3_5 led5
GPF3CON----0x114001E0—20~23-----0001
GPF3DAT----0x114001E4-----5

4.3 编写驱动

4.3.1 设计设备数据类型

struct myled_dev
{
   
struct cdev mydev;
unsigned long * led2con;
unsigned long * led2dat;
unsigned long * led3con;
unsigned long * led3dat;
unsigned long * led4con;
unsigned long * led4dat;
unsigned long * led5con;
unsigned long * led5dat;
};

4.3.2 其它

b. 考虑需要支持的函数
c. 模块入口：ioremap + 设置成输出
d. 模块出口：iounmap
e.编写关灯函数和开灯函数，实现ioctl

5 led设备驱动代码

myled.h

#ifndef MY_CHAR_H
#define MY_CHAR_H
#include 
#define LED_DEV_MAGIC 'g'
//#define MYCHAR_IOCTL_GET_MAXLEN _IOR(MY_CHAR_MAGIC,1,int*)
//#define MYCHAR_IOCTL_GET_CURLEN _IOR(MY_CHAR_MAGIC,2,int*)
#define MY_LED_OFF _IO(LED_DEV_MAGIC,0)
#define MY_LED_ON  _IO