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分类: LINUX

2011-03-18 14:04:39

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:
  1. 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:
  1. 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:
  1. #define readb(addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr))
  2. #define readw(addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr))
  3. #define readl(addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr))
  4. #define writeb(b,addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr) = (b))
  5. #define writew(b,addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr) = (b))
  6. #define writel(b,addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr) = (b))
  7. #define memset_io(a,b,c) memset(__io_virt(a),(b),(c))
  8. #define memcpy_fromio(a,b,c) memcpy((a),__io_virt(b),(c))
  9. #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:
  1. static void get_rtc_time(int alm, struct rtc_time *rtc_tm)
  2. {
  3.  spin_lock_irq(&rtc_lock);
  4.  if (alm == 1) {
  5.   rtc_tm->tm_year = (unsigned char)ALMYEAR & Msk_RTCYEAR;
  6.   rtc_tm->tm_mon = (unsigned char)ALMMON & Msk_RTCMON;
  7.   rtc_tm->tm_mday = (unsigned char)ALMDAY & Msk_RTCDAY;
  8.   rtc_tm->tm_hour = (unsigned char)ALMHOUR & Msk_RTCHOUR;
  9.   rtc_tm->tm_min = (unsigned char)ALMMIN & Msk_RTCMIN;
  10.   rtc_tm->tm_sec = (unsigned char)ALMSEC & Msk_RTCSEC;
  11.  }
  12.  else {
  13.   read_rtc_bcd_time:
  14.   rtc_tm->tm_year = (unsigned char)BCDYEAR & Msk_RTCYEAR;
  15.   rtc_tm->tm_mon = (unsigned char)BCDMON & Msk_RTCMON;
  16.   rtc_tm->tm_mday = (unsigned char)BCDDAY & Msk_RTCDAY;
  17.   rtc_tm->tm_hour = (unsigned char)BCDHOUR & Msk_RTCHOUR;
  18.   rtc_tm->tm_min = (unsigned char)BCDMIN & Msk_RTCMIN;
  19.   rtc_tm->tm_sec = (unsigned char)BCDSEC & Msk_RTCSEC;
  20.   if (rtc_tm->tm_sec == 0) {
  21.    /* Re-read all BCD registers in case of BCDSEC is 0.
  22.    See RTC section at the manual for more info. */
  23.    goto read_rtc_bcd_time;
  24.   }
  25.  }
  26.  spin_unlock_irq(&rtc_lock);
  27.  BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_year);
  28.  BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_mon);
  29.  BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_mday);
  30.  BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_hour);
  31.  BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_min);
  32.  BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_sec);
  33.  /* The epoch of tm_year is 1900 */
  34.  rtc_tm->tm_year += RTC_LEAP_YEAR - 1900;
  35.  /* tm_mon starts at 0, but rtc month starts at 1 */
  36.  rtc_tm->tm_mon--;
  37. }
 
  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?
  1. #define ALMDAY bRTC(0x60)
  2. #define ALMMON bRTC(0x64)
  3. #define ALMYEAR bRTC(0x68)
  其中借助了宏bRTC,这个宏定义为:
  1. #define bRTC(Nb) __REG(0x57000000 + (Nb))
 
  其中又借助了宏__REG,而__REG又定义为:
  1. # 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:
  1. #define io_p2v(x) ((x) | 0xa0000000)
  与__REG对应的有个__PREG:
  1. # define __PREG(x) io_v2p(x)
  与io_p2v对应的有个io_v2p:
  1. #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:
  1. /************mmap_ioremap.c**************/
  2. #include <linux/module.h>
  3. #include <linux/kernel.h>
  4. #include <linux/errno.h>
  5. #include <linux/mm.h>
  6. #include <linux/wrapper.h> /* for mem_map_(un)reserve */
  7. #include <asm/io.h> /* for virt_to_phys */
  8. #include <linux/slab.h> /* for kmalloc and kfree */
  9. MODULE_PARM(mem_start, "i");
  10. MODULE_PARM(mem_size, "i");
  11. static int mem_start = 101, mem_size = 10;
  12. static char *reserve_virt_addr;
  13. static int major;
  14. int mmapdrv_open(struct inode *inode, struct file *file);
  15. int mmapdrv_release(struct inode *inode, struct file *file);
  16. int mmapdrv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma);
  17. static struct file_operations mmapdrv_fops =
  18. {
  19.  owner: THIS_MODULE, mmap: mmapdrv_mmap, open: mmapdrv_open, release:
  20.  mmapdrv_release,
  21. };
  22. int init_module(void)
  23. {
  24.  if ((major = register_chrdev(0, "mmapdrv", &mmapdrv_fops)) < 0)
  25.  {
  26.   printk("mmapdrv: unable to register character device\n");
  27.   return ( - EIO);
  28.  }
  29.  printk("mmap device major = %d\n", major);
  30.  printk("high memory physical address 0x%ldM\n", virt_to_phys(high_memory) /
  31. 1024 / 1024);
  32.  reserve_virt_addr = ioremap(mem_start *1024 * 1024, mem_size *1024 * 1024);
  33.  printk("reserve_virt_addr = 0x%lx\n", (unsigned long)reserve_virt_addr);
  34.  if (reserve_virt_addr)
  35.  {
  36.   int i;
  37.   for (i = 0; i < mem_size *1024 * 1024; i += 4)
  38.   {
  39.    reserve_virt_addr[i] = 'a';
  40.    reserve_virt_addr[i + 1] = 'b';
  41.    reserve_virt_addr[i + 2] = 'c';
  42.    reserve_virt_addr[i + 3] = 'd';
  43.   }
  44.  }
  45.  else
  46.  {
  47.   unregister_chrdev(major, "mmapdrv");
  48.   return - ENODEV;
  49.  }
  50.  return 0;
  51. }
  52. /* remove the module */
  53. void cleanup_module(void)
  54. {
  55.  if (reserve_virt_addr)
  56.   iounmap(reserve_virt_addr);
  57.  unregister_chrdev(major, "mmapdrv");
  58.  return ;
  59. }
  60. int mmapdrv_open(struct inode *inode, struct file *file)
  61. {
  62.  MOD_INC_USE_COUNT;
  63.  return (0);
  64. }
  65. int mmapdrv_release(struct inode *inode, struct file *file)
  66. {
  67.  MOD_DEC_USE_COUNT;
  68.  return (0);
  69. }
  70. int mmapdrv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
  71. {
  72.  unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
  73.  unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;
  74.  if (size > mem_size *1024 * 1024)
  75.  {
  76.   printk("size too big\n");
  77.   return ( - ENXIO);
  78.  }
  79.  offset = offset + mem_start * 1024 * 1024;
  80.  /* we do not want to have this area swapped out, lock it */
  81.  vma->vm_flags |= VM_LOCKED;
  82.  if (remap_page_range(vma, vma->vm_start, offset, size, PAGE_SHARED))
  83.  {
  84.   printk("remap page range failed\n");
  85.   return - ENXIO;
  86.  }
  87.  return (0);
  88. }
  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:
  1. 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。
      (在内核驱动程序的初始化阶段,通过ioremap()将物理地址映射到内核虚拟空间;在驱动程序的mmap系统调用中,使用remap_page_range()将该块ROM映射到用户虚拟空间。这样内核空间和用户空间都能访问这段被映射后的虚拟地址。)

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