lv14 内核内存管理、动态分频及IO访问 12
一、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
补充：
Linux内存管理采用了虚拟内存机制，这个机制可以在内存有限的情况下提供更多可用的内存空间。每个进程都有自己独立的虚拟地址空间，应用程序只能访问自己的地址空间，而不能直接访问其他进程的地址空间或内核空间。
当应用程序需要访问某些数据时，它会使用虚拟地址来引用这些数据。实际上，这些虚拟地址并不是直接映射到物理内存，而是由操作系统进行转换。操作系统将虚拟地址映射到物理内存中的一些页框（Page Frame），这个过程称为页表映射（Page Table Mapping）。
因此，每个应用程序都有自己的页表，它们被存储在内存中，这些页表以及对应的物理页框在不同的时间可能会被交换到硬盘上，从而释放内存空间。当应用程序访问虚拟地址时，操作系统会根据页表映射的结果找到相应的物理页框，然后将数据从物理内存中读取出来。
由于每个应用程序都有自己独立的虚拟地址空间和页表，所以应用程序之间的内存访问是相互隔离的。这种隔离机制可以保证每个应用程序只能访问自己的内存空间，而不能对其他应用程序或操作系统造成干扰。这也是为什么应用程序内存不会影响到其他内存的原因。
0~1G虚拟地址给内核用
1~4G虚拟地址给应用程序用（我们这次研究这块）
内核地址空间划分图：
3G~3G+896M：低端内存，直接映射 虚拟地址 = 3G + 物理地址（虚拟地址连续，物理地址也连续）
细分为：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL
分配方式：
1. kmalloc:小内存分配，slab算法
2. 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，物理地址不连续二、内核中常用动态分配
2.1 kmalloc
函数原型：
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);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。
较常用的 flags（分配内存的方法）：
-
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）。
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：
void kfree(const void *objp);
void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)2.2 vmalloc
void *vmalloc(unsigned long size);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。
对应的内存释放函数为：
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：
-
用于申请内核空间的内存；
-
内存以字节为单位进行分配；
-
所分配的内存虚拟地址上连续；
kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：
-
kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
-
kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
-
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；
-
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；
-
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()。
2.4 分配选择原则：
-
小内存（< 128k）用kmalloc,大内存用vmalloc或get_free_page
-
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
三、IO访问-------访问外设控制器的寄存器
访问外设控制器的寄存器两种方式：
-
IO端口：X86上用IO指令访问
-
IO内存：外设寄存器在SOC芯片手册上都有相应物理地址
IO内存访问接口：
static inline void __iomem *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size)
/*
功能：实现IO管脚的映射
参数：offset:该管脚的偏移地址
Size:该管脚映射空间的大小
返回值：成功返回映射的虚拟地址,失败NULL
*/
static inline void iounmap(volatile void __iomem *addr)
/*
功能：解除io管脚的映射
参数：addr:io管脚映射的地址
*/
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)
/*
功能：读取寄存器的值
参数：addr 地址
返回值：读到的数据
*/
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)
void writel(unsigned value, void *addr);//4字节 或iowrite32(u32 value, void *addr)
/*
功能：向指定的寄存器中，写入数据。
参数：value：待写入寄存器中的数据
Address：寄存器的虚拟地址
*/四、led驱动
-
读原理图
-
查阅SOC芯片手册
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
五、示例
实现led驱动，点亮关闭led
leddrv.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "leddrv.h"
#define GPX1CON 0x11000C20
#define GPX1DAT 0x11000C24
#define GPX2CON 0x11000C40
#define GPX2DAT 0x11000C44
#define GPF3CON 0x114001E0
#define GPF3DAT 0x114001E4
int major = 11;
int minor = 0;
int myled_num = 1;
struct myled_dev
{
struct cdev mydev;
volatile unsigned long *pled2_con;
volatile unsigned long *pled2_dat;
volatile unsigned long *pled3_con;
volatile unsigned long *pled3_dat;
volatile unsigned long *pled4_con;
volatile unsigned long *pled4_dat;
volatile unsigned long *pled5_con;
volatile unsigned long *pled5_dat;
/*
volatile 防止优化。对这块指针指向的内存，有时候cpu会把外设寄存器中的值读到内部寄存器中，方便下次读的时候更快.加了voltatile就不会优化，否则cpu可能会从内部寄存器中读取，而不是去外设寄存器中读取。
*/
};
struct myled_dev *pgmydev = NULL;
int myled_open(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
pfile->private_data =(void *) (container_of(pnode->i_cdev,struct myled_dev,mydev));
return 0;
}
int myled_close(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
return 0;
}
void led_on(struct myled_dev *pmydev,int ledno)
{
switch(ledno)
{
case 2:
writel(readl(pmydev->pled2_dat) | (0x1 << 7),pmydev->pled2_dat);
break;
case 3:
writel(readl(pmydev->pled3_dat) | (0x1),pmydev->pled3_dat);
break;
case 4:
writel(readl(pmydev->pled4_dat) | (0x1 << 4),pmydev->pled4_dat);
break;
case 5:
writel(readl(pmydev->pled5_dat) | (0x1 << 5),pmydev->pled5_dat);
break;
}
}
void led_off(struct myled_dev *pmydev,int ledno)
{
switch(ledno)
{
case 2:
writel(readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7)),pmydev->pled2_dat);
break;
case 3:
writel(readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1)),pmydev->pled3_dat);
break;
case 4:
writel(readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4)),pmydev->pled4_dat);
break;
case 5:
writel(readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5)),pmydev->pled5_dat);
break;
}
}
long myled_ioctl(struct file *pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg)
{
struct myled_dev *pmydev = (struct myled_dev *)pfile->private_data;
if(arg < 2 || arg > 5)
{
return -1;
}
switch(cmd)
{
case MY_LED_ON:
led_on(pmydev,arg);
break;
case MY_LED_OFF:
led_off(pmydev,arg);
break;
default:
return -1;
}
return 0;
}
struct file_operations myops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = myled_open,
.release = myled_close,
.unlocked_ioctl = myled_ioctl,
};
void ioremap_ledreg(struct myled_dev *pmydev)
{
pmydev->pled2_con = ioremap(GPX2CON,4);
pmydev->pled2_dat = ioremap(GPX2DAT,4);
pmydev->pled3_con = ioremap(GPX1CON,4);
pmydev->pled3_dat = ioremap(GPX1DAT,4);
pmydev->pled4_con = ioremap(GPF3CON,4);
pmydev->pled4_dat = ioremap(GPF3DAT,4);
pmydev->pled5_con = pmydev->pled4_con; //最后一个led5不能remap，因为使用的是同一个组寄存器不同的位
pmydev->pled5_dat = pmydev->pled4_dat;
}
void set_output_ledconreg(struct myled_dev *pmydev)
{
writel((readl(pmydev->pled2_con) & (~(0xF << 28))) | (0x1 << 28),pmydev->pled2_con);
writel((readl(pmydev->pled3_con) & (~(0xF))) | (0x1),pmydev->pled3_con);
writel((readl(pmydev->pled4_con) & (~(0xF << 16))) | (0x1 << 16),pmydev->pled4_con);
writel((readl(pmydev->pled5_con) & (~(0xF << 20))) | (0x1 << 20),pmydev->pled5_con);
writel(readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7)),pmydev->pled2_dat);
writel(readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1)),pmydev->pled3_dat);
writel(readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4)),pmydev->pled4_dat);
writel(readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5)),pmydev->pled5_dat);
}
void iounmap_ledreg(struct myled_dev *pmydev)
{
iounmap(pmydev->pled2_con);
pmydev->pled2_con = NULL;
iounmap(pmydev->pled2_dat);
pmydev->pled2_dat = NULL;
iounmap(pmydev->pled3_con);
pmydev->pled3_con = NULL;
iounmap(pmydev->pled3_dat);
pmydev->pled3_dat = NULL;
iounmap(pmydev->pled4_con);
pmydev->pled4_con = NULL;
iounmap(pmydev->pled4_dat);
pmydev->pled4_dat = NULL;
pmydev->pled5_con = NULL;
pmydev->pled5_dat = NULL;
}
int __init myled_init(void)
{
int ret = 0;
dev_t devno = MKDEV(major,minor);
/*申请设备号*/
ret = register_chrdev_region(devno,myled_num,"myled");
if(ret)
{
ret = alloc_chrdev_region(&devno,minor,myled_num,"myled");
if(ret)
{
printk("get devno failed\n");
return -1;
}
major = MAJOR(devno);//容易遗漏，注意
}
pgmydev = (struct myled_dev *)kmalloc(sizeof(struct myled_dev),GFP_KERNEL);
if(NULL == pgmydev)
{
unregister_chrdev_region(devno,myled_num);
printk("kmalloc failed\n");
return -1;
}
memset(pgmydev,0,sizeof(struct myled_dev)); //这里的memset并非c库的函数，而是内核自己实现的memset函数
/*给struct cdev对象指定操作函数集*/
cdev_init(&pgmydev->mydev,&myops);
/*将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构里*/
pgmydev->mydev.owner = THIS_MODULE;
cdev_add(&pgmydev->mydev,devno,myled_num);
/*ioremap*/
ioremap_ledreg(pgmydev);
/*con-register set output*/
set_output_ledconreg(pgmydev);
return 0;
}
void __exit myled_exit(void)
{
dev_t devno = MKDEV(major,minor);
/*iounmap*/
iounmap_ledreg(pgmydev);
cdev_del(&pgmydev->mydev);
unregister_chrdev_region(devno,myled_num);
kfree(pgmydev);
pgmydev = NULL;
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(myled_init);
module_exit(myled_exit);
leddrv.h
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "leddrv.h"
int main(int argc,char *argv[])
{
int fd = -1;
int onoff = 0;
int no = 0;
if(argc < 4)
{
printf("The argument is too few\n");
return 1;
}
sscanf(argv[2],"%d",&onoff);
sscanf(argv[3],"%d",&no);
if(no < 2 || no > 5)
{
printf("len-no is invalid\n");
return 2;
}
fd = open(argv[1],O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
printf("open %s failed\n",argv[1]);
return 3;
}
if(onoff)
{
ioctl(fd,MY_LED_ON,no);
}
else
{
ioctl(fd,MY_LED_OFF,no);
}
close(fd);
fd = -1;
return 0;
}
Makefile
ifeq ($(KERNELRELEASE),)
ifeq ($(ARCH),arm)
KERNELDIR ?= /home/linux/Linux_4412/kernel/linux-3.14
ROOTFS ?= /opt/4412/rootfs
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
endif
PWD := $(shell pwd)
modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
modules_install:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules INSTALL_MOD_PATH=$(ROOTFS) modules_install
clean:
rm -rf *.o *.ko .*.cmd *.mod.* modules.order Module.symvers .tmp_versions
else
CONFIG_MODULE_SIG=n
obj-m += mychar.o
obj-m += mychar_poll.o
obj-m += openonce_atomic.o
obj-m += openonce_spinlock.o
obj-m += mychar_sema.o
obj-m += mychar_mutex.o
obj-m += second.o
obj-m += leddrv.o
endif
testled_app.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "leddrv.h"
int main(int argc,char *argv[])
{
int fd = -1;
int onoff = 0;
int no = 0;
if(argc < 4)
{
printf("The argument is too few\n");
return 1;
}
sscanf(argv[2],"%d",&onoff);
sscanf(argv[3],"%d",&no);
if(no < 2 || no > 5)
{
printf("len-no is invalid\n");
return 2;
}
fd = open(argv[1],O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
printf("open %s failed\n",argv[1]);
return 3;
}
if(onoff)
{
ioctl(fd,MY_LED_ON,no);
}
else
{
ioctl(fd,MY_LED_OFF,no);
}
close(fd);
fd = -1;
return 0;
}
编译ko文件：
编译testled_app，把leddrv.ko和testled_app放入rootfs中
启动开发板测试
