kernel 3.10内核源码分析--ioremap

1、为什么需要ioremap
问题：分配mmio(request_mem_region)后，得到的是物理地址，按理只需要将其转换为虚拟地址后(内核中，低端内存只是一个偏移而已)，
应该就可以直接访问了吧？但是为什么还需要使用ioremap将其转换为线性地址后才能访问呢？
解答：分配的mmio的物理地址在内核中不一定能直接访问，比如：
1）x86 32位环境中，mmio的地址范围就在3G-4G之间，位于高端内存，内核中不能直接访问，需要进行映射。
2）一些体系架构中，IO内存根本就不能直接访问，必须建立相应的映射后才行，相应的映射工作由架构相关的ioremap完成
2、基本原理
ioremap完成相应的物理地址到内核空间中的线性地址(虚拟地址)的映射，并建立相应页表。
ioremap实际利用了vmalloc区中虚拟地址空间，因为内核虚拟地址空间实际已经分配完了：
3G--3G+896M为线性映射区，896-1024M为vmalloc、kmap和固定映射区
ioremap只能利用现有的地址空间，而能用的估计只有vmalloc区了，相对比较大。
ioremap实现的大致流程为：
__ioremap_caller
--> get_vm_area_caller // 在vmalloc区域中获取空闲的子区域。
      --> ioremap_page_range //修改页表，实现物理地址到虚拟地址的映射
3、代码分析

/*
   * ioremap主处理函数，用于映射IO内存至内核虚拟
   * 地址空间中，入参中包含了IO内存所在的物理
   * 地址和长度，这个通常通过request_mem_region获得
   * 返回值为映射后内核虚拟地址空间中的虚拟地址。
   * 该返回地址实际位于vmalloc区中，但不实际分配
   * 物理内存(vmalloc是需要分配物理内存的)，使用
   * vm_struct结构中phys_addr和addr实现虚拟地址到物理地址
   * 间的映射。
   */
static void __iomem *__ioremap_caller(resource_size_t phys_addr,
        unsigned long size, unsigned long prot_val, void *caller)
{
    unsigned long offset, vaddr;
    resource_size_t pfn, last_pfn, last_addr;
    const resource_size_t unaligned_phys_addr = phys_addr;
    const unsigned long unaligned_size = size;
    struct vm_struct *area;
    unsigned long new_prot_val;
    pgprot_t prot;
    int retval;
    void __iomem *ret_addr;

    /* Don't allow wraparound or zero size */
    // 防止地址过大发生翻转
    last_addr = phys_addr + size - 1;
    if (!size || last_addr < phys_addr)
        return NULL;

    // 判断物理地址是否有效
    if (!phys_addr_valid(phys_addr)) {
        printk(KERN_WARNING "ioremap: invalid physical address %llx\n",
         (unsigned long long)phys_addr);
        WARN_ON_ONCE(1);
        return NULL;
    }

    /*
     * Don't remap the low PCI/ISA area, it's always mapped..
     */
    /*
     * 对于PCI/ISA区域(640k-16M)，属于线性映射的区域
     * 不需要再进行映射了。
     */
    if (is_ISA_range(phys_addr, last_addr))
        return (__force void __iomem *)phys_to_virt(phys_addr);

    /*
     * Don't allow anybody to remap normal RAM that we're using..
     */
    /*
     * 对于常规物理内存所在的区域，不能映射
     * IO内存和常规物理内存在物理地址空间中的
     * 分布在BIOS和内核初始化时就已经决定好了
     */
    last_pfn = last_addr >> PAGE_SHIFT;
    for (pfn = phys_addr >> PAGE_SHIFT; pfn <= last_pfn; pfn++) {
        int is_ram = page_is_ram(pfn);

        if (is_ram && pfn_valid(pfn) && !PageReserved(pfn_to_page(pfn)))
            return NULL;
        WARN_ON_ONCE(is_ram);
    }

    /*
     * Mappings have to be page-aligned
     */
    //页对齐处理
    offset = phys_addr & ~PAGE_MASK;
    phys_addr &= PHYSICAL_PAGE_MASK;
    size = PAGE_ALIGN(last_addr+1) - phys_addr;

    retval = reserve_memtype(phys_addr, (u64)phys_addr + size,
                        prot_val, &new_prot_val);
    if (retval) {
        printk(KERN_ERR "ioremap reserve_memtype failed %d\n", retval);
        return NULL;
    }

    if (prot_val != new_prot_val) {
        if (!is_new_memtype_allowed(phys_addr, size,
                        prot_val, new_prot_val)) {
            printk(KERN_ERR
        "ioremap error for 0x%llx-0x%llx, requested 0x%lx, got 0x%lx\n",
                (unsigned long long)phys_addr,
                (unsigned long long)(phys_addr + size),
                prot_val, new_prot_val);
            goto err_free_memtype;
        }
        prot_val = new_prot_val;
    }

    switch (prot_val) {
    case _PAGE_CACHE_UC:
    default:
        prot = PAGE_KERNEL_IO_NOCACHE;
        break;
    case _PAGE_CACHE_UC_MINUS:
        prot = PAGE_KERNEL_IO_UC_MINUS;
        break;
    case _PAGE_CACHE_WC:
        prot = PAGE_KERNEL_IO_WC;
        break;
    case _PAGE_CACHE_WB:
        prot = PAGE_KERNEL_IO;
        break;
    }

    /*
     * Ok, go for it..
     */
    // 在vmalloc区域中获取空闲的子区域。
    area = get_vm_area_caller(size, VM_IOREMAP, caller);
    if (!area)
        goto err_free_memtype;
    /*
     * 设置vm_struct->phys_addr为ioremap的物理地址
     * 该字段的详细说明见vm_struct结构的定义
     */
    area->phys_addr = phys_addr;
    //addr为该内存区域首部的虚拟地址
    vaddr = (unsigned long) area->addr;

    if (kernel_map_sync_memtype(phys_addr, size, prot_val))
        goto err_free_area;

    //修改页表，实现物理地址到虚拟地址的映射
    if (ioremap_page_range(vaddr, vaddr + size, phys_addr, prot))
        goto err_free_area;

    ret_addr = (void __iomem *) (vaddr + offset);
    mmiotrace_ioremap(unaligned_phys_addr, unaligned_size, ret_addr);

    /*
     * Check if the request spans more than any BAR in the iomem resource
     * tree.
     */
    WARN_ONCE(iomem_map_sanity_check(unaligned_phys_addr, unaligned_size),
          KERN_INFO "Info: mapping multiple BARs. Your kernel is fine.");

    return ret_addr;
err_free_area:
    free_vm_area(area);
err_free_memtype:
    free_memtype(phys_addr, phys_addr + size);
    return NULL;
}