深入浅出Linux设备驱动编程－－内存与I/O操作

对于提供了MMU（存储管理器，辅助操作系统进行内存管理，提供虚实地址转换等硬件支持）的处理器而言，Linux提供了复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的内存达到4GB。
进程的4GB内存空间被人为的分为两个部分――用户空间与内核空间。用户空间地址分布从0到3GB(PAGE_OFFSET，在0x86中它等于0xC0000000)，3GB到4GB为内核空间，如下图：
 
内核空间中，从3G到vmalloc_start这段地址是物理内存映射区域（该区域中包含了内核镜像、物理页框表mem_map等等），比如我们使用的VMware虚拟系统内存是160M，那么3G～3G+160M这片内存就应该映射物理内存。在物理内存映射区之后，就是vmalloc区域。对于160M的系统而言，vmalloc_start位置应在3G+160M附近（在物理内存映射区与vmalloc_start期间还存在一个8M的gap来防止跃界），vmalloc_end的位置接近4G(最后位置系统会保留一片128k大小的区域用于专用页面映射)，如下图：
 
kmalloc和get_free_page申请的内存位于物理内存映射区域，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，因此存在较简单的转换关系，virt_to_phys()可以实现内核虚拟地址转化为物理地址：
#define __pa(x)  ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address)
{
  return __pa(address);
}
上面转换过程是将虚拟地址减去3G（PAGE_OFFSET=0XC000000）。
与之对应的函数为phys_to_virt()，将内核物理地址转化为虚拟地址：
#define __va(x)  ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
extern inline void * phys_to_virt(unsigned long address)
{
  return __va(address);
}
virt_to_phys()和phys_to_virt()都定义在include\asm-i386\io.h中。
而vmalloc申请的内存则位于vmalloc_start～vmalloc_end之间，与物理地址没有简单的转换关系，虽然在逻辑上它们也是连续的，但是在物理上它们不要求连续。
我们用下面的程序来演示kmalloc、get_free_page和vmalloc的区别：
#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/vmalloc.h>
MODULE_LICENSE("GPL");

unsigned char *pagemem;
unsigned char *kmallocmem;
unsigned char *vmallocmem;

int __init mem_module_init(void)
{
  //最好每次内存申请都检查申请是否成功
  //下面这段仅仅作为演示的代码没有检查
  pagemem = (unsigned char*)get_free_page(0);
  printk("<1>pagemem addr=%x", pagemem);

  kmallocmem = (unsigned char*)kmalloc(100, 0);
  printk("<1>kmallocmem addr=%x", kmallocmem);

  vmallocmem = (unsigned char*)vmalloc(1000000);
  printk("<1>vmallocmem addr=%x", vmallocmem);

  return 0;
}

void __exit mem_module_exit(void)
{
  free_page(pagemem);
  kfree(kmallocmem);
  vfree(vmallocmem);
}

module_init(mem_module_init);
module_exit(mem_module_exit);
我们的系统上有160MB的内存空间，运行一次上述程序，发现pagemem的地址在0xc7997000（约3G+121M）、kmallocmem地址在0xc9bc1380（约3G+155M）、vmallocmem的地址在0xcabeb000（约3G+171M）处，符合前文所述的内存布局。
接下来，我们讨论Linux设备驱动究竟怎样访问外设的I/O端口（寄存器）。
几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的，通常包括控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类，外设的寄存器通常被连续地编址。根据CPU体系结构的不同，CPU对IO端口的编址方式有两种：
（1）I/O映射方式（I/O-mapped）
典型地，如X86处理器为外设专门实现了一个单独的地址空间，称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”，CPU通过专门的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）来访问这一空间中的地址单元。
（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！
下面的程序在启动的时候保留一段内存，然后使用ioremap将它映射到内核虚拟空间，同时又用remap_page_range映射到用户虚拟空间，这样一来，内核和用户都能访问。如果在内核虚拟地址将这段内存初始化串"abcd"，那么在用户虚拟地址能够读出来：
/************mmap_ioremap.c**************/
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/wrapper.h>  /* for mem_map_(un)reserve */
#include <asm/io.h>          /* for virt_to_phys */
#include <linux/slab.h>   /* for kmalloc and kfree */

MODULE_PARM(mem_start, "i");
MODULE_PARM(mem_size, "i");

static int mem_start = 101, mem_size = 10;
static char *reserve_virt_addr;
static int major;

int mmapdrv_open(struct inode *inode, struct file *file);
int mmapdrv_release(struct inode *inode, struct file *file);
int mmapdrv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma);

static struct file_operations mmapdrv_fops =
{
  owner: THIS_MODULE, mmap: mmapdrv_mmap, open: mmapdrv_open, release:
    mmapdrv_release,
};

int init_module(void)
{
  if ((major = register_chrdev(0, "mmapdrv", &mmapdrv_fops)) < 0)
  {
    printk("mmapdrv: unable to register character device\n");
    return ( - EIO);
  }
  printk("mmap device major = %d\n", major);

  printk("high memory physical address 0x%ldM\n", virt_to_phys(high_memory) /
    1024 / 1024);

  reserve_virt_addr = ioremap(mem_start *1024 * 1024, mem_size *1024 * 1024);
  printk("reserve_virt_addr = 0x%lx\n", (unsigned long)reserve_virt_addr);
  if (reserve_virt_addr)
  {
    int i;
    for (i = 0; i < mem_size *1024 * 1024; i += 4)
    {
      reserve_virt_addr[i] = 'a';
      reserve_virt_addr[i + 1] = 'b';
      reserve_virt_addr[i + 2] = 'c';
      reserve_virt_addr[i + 3] = 'd';
    }
  }
  else
  {
    unregister_chrdev(major, "mmapdrv");
    return  - ENODEV;
  }

  return 0;
}

/* remove the module */
void cleanup_module(void)
{
  if (reserve_virt_addr)
    iounmap(reserve_virt_addr);

  unregister_chrdev(major, "mmapdrv");

  return ;
}

int mmapdrv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
  MOD_INC_USE_COUNT;
  return (0);
}

int mmapdrv_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
  MOD_DEC_USE_COUNT;
  return (0);
}

int mmapdrv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
  unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
  unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;

  if (size > mem_size *1024 * 1024)
  {
    printk("size too big\n");
    return ( - ENXIO);
  }

  offset = offset + mem_start * 1024 * 1024;

  /* we do not want to have this area swapped out, lock it */
  vma->vm_flags |= VM_LOCKED;
  if (remap_page_range(vma, vma->vm_start, offset, size, PAGE_SHARED))
  {
    printk("remap page range failed\n");
    return  - ENXIO;
  }

  return (0);
}
remap_page_range函数的功能是构造用于映射一段物理地址的新页表，实现了内核空间与用户空间的映射，其原型如下： 
int remap_page_range(vma_area_struct *vma, unsigned long from, unsigned long to, unsigned long size, pgprot_tprot);
使用mmap最典型的例子是显示卡的驱动，将显存空间直接从内核映射到用户空间将可提供显存的读写效率。