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分类： LINUX
2008-09-26 10:23:16
本文主要从内核实现的角度分析Linux
几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的。外设寄存器也称为“I/O端口”，通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类，而且一个外设的寄存器通常被连续地编址。CPU对外设IO端口物理地址的编址方式有两种：一种是I/O映射方式（I/O－mapped），另一种是内存映射方式（Memory－ mapped）。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。
有些体系结构的CPU （如，PowerPC、m68k等）通常只实现一个物理地址空间（RAM）。在这种情况下，外设I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中，而成为内存的一部分。此时，CPU可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。这就是所谓的“内存映射方式” （Memory－mapped）。
而另外一些体系结构的 CPU（典型地如X86）则为外设专门实现了一个单独地地址空间，称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间，所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的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（也即I/O端口）。这就是所谓的“I/O映射方式” （I/O－mapped）。与RAM物理地址空间相比，I/O地址空间通常都比较小，如x86 CPU的I/O空间就只有64KB（0－0xffff）。这是“I/O映射方式”的一个主要缺点。
Linux将基于I/O映射方式的或内存映射方式的I/O端口通称为“I/O区域”（I/O region）。在讨论对I/O区域的管理之前，我们首先来分析一下Linux是如何实现“I/O资源”这一抽象概念的。
Linux对I/O资源的描述
Linux设计了一个通用的数据结构resource来描述各种I/O资源（如：I/O端口、外设内存、DMA和IRQ等）。该结构定义在include/linux/ioport.h头文件中：
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struct resource { const char *name; unsigned long start, end; unsigned long flags; struct resource *parent, *sibling, *child; }; |
各成员的含义如下：
1. name指针：指向此资源的名称。
2. start和end：表示资源的起始物理地址和终止物理地址。它们确定了资源的范围，也即是一个闭区间[start,end]。
3. flags：描述此资源属性的标志（见下面）。
4. 指针parent、sibling和child：分别为指向父亲、兄弟和子资源的指针。
属性flags是一个unsigned long类型的32位标志值，用以描述资源的属性。比如：资源的类型、是否只读、是否可缓存，以及是否已被占用等。下面是一部分常用属性标志位的定义（ioport.h）：
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/* * IO resources have these defined flags. */ #define IORESOURCE_BITS 0x000000ff /* Bus-specific bits */ #define IORESOURCE_IO 0x00000100 /* Resource type */ #define IORESOURCE_MEM 0x00000200 #define IORESOURCE_IRQ 0x00000400 #define IORESOURCE_DMA 0x00000800 #define IORESOURCE_PREFETCH 0x00001000 /* No side effects */ #define IORESOURCE_READONLY 0x00002000 #define IORESOURCE_CACHEABLE 0x00004000 #define IORESOURCE_RANGELENGTH 0x00008000 #define IORESOURCE_SHADOWABLE 0x00010000 #define IORESOURCE_BUS_HAS_VGA 0x00080000 #define IORESOURCE_UNSET 0x20000000 #define IORESOURCE_AUTO 0x40000000 #define IORESOURCE_BUSY 0x80000000 /* Driver has marked this resource busy */ |
指针parent、sibling和child的设置是为了以一种树的形式来管理各种I/O资源。
Linux对I/O资源的管理
Linux是以一种倒置的树形结构来管理每一类I/O资源（如：I/O端口、外设内存、DMA和IRQ）的。每一类I/O资源都对应有一颗倒置的资源树，树中的每一个节点都是一个resource结构，而树的根结点root则描述了该类资源的整个资源空间。
基于上述这个思想，Linux在kernel/Resource.c文件中实现了对资源的申请、释放及查找等操作。
1 I/O资源的申请
假设某类资源有如下这样一颗资源树：
节点root、r1、r2 和r3实际上都是一个resource结构类型。子资源 r1、r2和r3通过sibling指针链接成一条单向非循环链表，其表头由root节点中的child指针定义，因此也称为父资源的子资源链表。r1、 r2和r3的parent指针均指向他们的父资源节点，在这里也就是图中的root节点。
假设想在root节点中分配一段I/O资源（由图中的阴影区域表示）。函数 request_resource()实现这一功能。它有两个参数：①root指针，表示要在哪个资源根节点中进行分配；②new指针，指向描述所要分配的资源（即图中的阴影区域）的resource结构。该函数的源代码如下（kernel/resource.c）:
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int request_resource(struct resource *root, struct resource *new) { struct resource *conflict; write_lock(&resource_lock); conflict = __request_resource(root, new); write_unlock(&resource_lock); return conflict ? -EBUSY : 0; } |
对上述函数的NOTE如下：
①资源锁resource_lock对所有资源树进行读写保护，任何代码段在访问某一颗资源树之前都必须先持有该锁。其定义如下（kernel/Resource.c）：
static rwlock_t resource_lock = RW_LOCK_UNLOCKED;
②可以看出，函数实际上是通过调用内部静态函数__request_resource()来完成实际的资源分配工作。如果该函数返回非空指针，则表示有资源冲突；否则，返回NULL就表示分配成功。
③最后，如果conflict指针为NULL，则request_resource()函数返回返回值0，表示成功；否则返回－EBUSY表示想要分配的资源已被占用。
函数__request_resource()完成实际的资源分配工作。如果参数new所描述的资源中的一部分或全部已经被其它节点所占用，则函数返回与new相冲突的resource结构的指针。否则就返回NULL。该函数的源代码如下
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（kernel/Resource.c）： /* Return the conflict entry if you can't request it */ static struct resource * __request_resource (struct resource *root, struct resource *new) { unsigned long start = new->start; unsigned long end = new->end; struct resource *tmp, **p; if (end < start) return root; if (start < root->start) return root; if (end > root->end) return root; p = &root->child; for (;;) { tmp = *p; if (!tmp || tmp->start > end) { new->sibling = tmp; *p = new; new->parent = root; return NULL; } p = &tmp->sibling; if (tmp->end < start) continue; return tmp; } } |
对函数的NOTE：
①前三个if语句判断new所描述的资源范围是否被包含在root内，以及是否是一段有效的资源（因为end必须大于start）。否则就返回root指针，表示与根结点相冲突。
②接下来用一个for循环遍历根节点root的child链表，以便检查是否有资源冲突，并将new插入到child链表中的合适位置（child链表是以I/O资源物理地址从低到高的顺序排列的）。为此，它用tmp指针指向当前正被扫描的resource结构，用指针p指向前一个resource结构的sibling指针成员变量，p的初始值为指向root－>sibling。 For循环体的执行步骤如下：
让tmp指向当前正被扫描的resource结构（tmp＝*p）。判断tmp指针是否为空（tmp指针为空说明已经遍历完整个child链表），或者当前被扫描节点的起始位置 start是否比new的结束位置end还要大。只要这两个条件之一成立的话，就说明没有资源冲突，于是就可以把new链入child链表中：①设置 new的sibling指针指向当前正被扫描的节点tmp （new->sibling=tmp）；②当前节点tmp的前一个兄弟节点的sibling指针被修改为指向new这个节点（*p=new）；③将 new的parent指针设置为指向root。然后函数就可以返回了（返回值NULL表示没有资源冲突）。
如果上述两个条件都不成立，这说明当前被扫描节点的资源域有可能与new相冲突（实际上就是两个闭区间有交集），因此需要进一步判断。为此它首先修改指针p，让它指向tmp- >sibling，以便于继续扫描child链表。然后，判断 tmp->end是否小于new->start，如果小于，则说明当前节点tmp和new没有资源冲突，因此执行continue语句，继续向下扫描child链表。否则，如果tmp->end大于或等于new->start，则说明tmp->[start,end]和 new->[start,end]之间有交集。所以返回当前节点的指针tmp，表示发生资源冲突。
2 资源的释放
函数release_resource()用于实现I/O资源的释放。该函数只有一个参数——即指针old，它指向所要释放的资源。起源代码如下：
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int release_resource(struct resource *old) { int retval; write_lock(&resource_lock); retval = __release_resource(old); write_unlock(&resource_lock); return retval; } |
可以看出，它实际上通过调用__release_resource()这个内部静态函数来完成实际的资源释放工作。函数__release_resource()的主要任务就是将资源区域old（如果已经存在的话）从其父资源的child链表重摘除，它的源代码如下：
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static int __release_resource(struct resource *old) { struct resource *tmp, **p; p = &old->parent->child; for (;;) { tmp = *p; if (!tmp) break; if (tmp == old) { *p = tmp->sibling; old->parent = NULL; return 0; } p = &tmp->sibling; } return -EINVAL; } |
对上述函数代码的NOTE如下：
同函数__request_resource()相类似，该函数也是通过一个for 循环来遍历父资源的child链表。为此，它让tmp指针指向当前被扫描的资源，而指针p则指向当前节点的前一个节点的sibling成员（p的初始值为指向父资源的child指针）。循环体的步骤如下：
①首先，让tmp指针指向当前被扫描的节点（tmp＝*p）。
②如果tmp指针为空，说明已经遍历完整个child链表，因此执行break语句推出for循环。由于在遍历过程中没有在child链表中找到参数old所指定的资源节点，因此最后返回错误值－EINVAL，表示参数old是一个无效的值。
③接下来，判断当前被扫描节点是否就是参数old所指定的资源节点。如果是，那就将 old从child链表中去除，也即让当前结点tmp的前一个兄弟节点的sibling指针指向tmp的下一个节点，然后将old－>parent 指针设置为NULL。最后返回0值表示执行成功。
④如果当前被扫描节点不是资源old，那就继续扫描child链表中的下一个元素。因此将指针p指向tmp－>sibling成员。
3 检查资源是否已被占用
函数check_resource()用于实现检查某一段I/O资源是否已被占用。其源代码如下：
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int check_resource(struct resource *root, unsigned long start, unsigned long len) { struct resource *conflict, tmp; tmp.start = start; tmp.end = start + len - 1; write_lock(&resource_lock); conflict = __request_resource(root, &tmp); if (!conflict) __release_resource(&tmp); write_unlock(&resource_lock); return conflict ? -EBUSY : 0; } |
对该函数的NOTE如下：
①构造一个临时资源tmp，表示所要检查的资源[start,start+end-1]。
②调用__request_resource()函数在根节点root申请tmp所表示的资源。如果tmp所描述的资源还被人使用，则该函数返回NULL，否则返回非空指针。因此接下来在conflict为NULL的情况下，调用 __release_resource()将刚刚申请的资源释放掉。
③最后根据conflict是否为NULL，返回－EBUSY或0值。
4 寻找可用资源
函数find_resource()用于在一颗资源树中寻找未被使用的、且满足给定条件的（也即资源长度大小为size，且在[min,max]区间内）的资源。其函数源代码如下：
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/* * Find empty slot in the resource tree given range and alignment. */ static int find_resource(struct resource *root, struct resource *new, unsigned long size, unsigned long min, unsigned long max, unsigned long align, void (*alignf)(void *, struct resource *, unsigned long), void *alignf_data) { struct resource *this = root->child; new->start = root->start; for(;;) { if (this) new->end = this->start; else new->end = root->end; if (new->start < min) new->start = min; if (new->end > max) new->end = max; new->start = (new->start + align - 1) & ~(align - 1); if (alignf) alignf(alignf_data, new, size); if (new->start < new->end && new->end - new->start + 1 >= size) { new->end = new->start + size - 1; return 0; } if (!this) break; new->start = this->end + 1; this = this->sibling; } return -EBUSY; } |
对该函数的NOTE如下：
同样，该函数也要遍历root的child链表，以寻找未被使用的资源空洞。为此，它让 this指针表示当前正被扫描的子资源节点，其初始值等于root->child，即指向child链表中的第一个节点，并让new-> start的初始值等于root->start，然后用一个for循环开始扫描child链表，对于每一个被扫描的节点，循环体执行如下操作：
①首先，判断this指针是否为NULL。如果不为空，就让new->end等于this->start，也即让资源new表示当前资源节点this前面那一段未使用的资源区间。
②如果this指针为空，那就让new->end等于root-> end。这有两层意思：第一种情况就是根结点的child指针为NULL（即根节点没有任何子资源）。因此此时先暂时将new->end放到最大。第二种情况就是已经遍历完整个child链表，所以此时就让new表示最后一个子资源后面那一段未使用的资源区间。
③根据参数min和max修正new->[start,end]的值，以使资源new被包含在[min,max]区域内。
④接下来进行对齐操作。
⑤然后，判断经过上述这些步骤所形成的资源区域new是否是一段有效的资源（end 必须大于或等于start），而且资源区域的长度满足size参数的要求（end－start＋1>=size）。如果这两个条件均满足，则说明我们已经找到了一段满足条件的资源空洞。因此在对new->end的值进行修正后，然后就可以返回了（返回值0表示成功）。
⑥如果上述两条件不能同时满足，则说明还没有找到，因此要继续扫描链表。在继续扫描之前，我们还是要判断一下this指针是否为空。如果为空，说明已经扫描完整个child链表，因此就可以推出for循环了。否则就将new-> start的值修改为this->end+1，并让this指向下一个兄弟资源节点，从而继续扫描链表中的下一个子资源节点。
5 分配接口allocate_resource()
在find_resource()函数的基础上，函数allocate_resource()实现：在一颗资源树中分配一条指定大小的、且包含在指定区域[min,max]中的、未使用资源区域。其源代码如下：
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/* * Allocate empty slot in the resource tree given range and alignment. */ int allocate_resource(struct resource *root, struct resource *new, unsigned long size, unsigned long min, unsigned long max, unsigned long align, void (*alignf)(void *, struct resource *, unsigned long), void *alignf_data) { int err; write_lock(&resource_lock); err = find_resource(root, new, size, min, max, align, alignf, alignf_data); if (err >= 0 && __request_resource(root, new)) err = -EBUSY; write_unlock(&resource_lock); return err; } |
6 获取资源的名称列表
函数get_resource_list()用于获取根节点root的子资源名字列表。该函数主要用来支持/proc/文件系统（比如实现proc/ioports文件和/proc/iomem文件）。其源代码如下：
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int get_resource_list(struct resource *root, char *buf, int size) { char *fmt; int retval; fmt = " %08lx-%08lx : %s "; if (root->end < 0x10000) fmt = " %04lx-%04lx : %s "; read_lock(&resource_lock); retval = do_resource_list(root->child, fmt, 8, buf, buf + size) - buf; read_unlock(&resource_lock); return retval; } |
可以看出，该函数主要通过调用内部静态函数do_resource_list()来实现其功能，其源代码如下：
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/* * This generates reports for /proc/ioports and /proc/iomem */ static char * do_resource_list(struct resource *entry, const char *fmt, int offset, char *buf, char *end) { if (offset < 0) offset = 0; while (entry) { const char *name = entry->name; unsigned long from, to; if ((int) (end-buf) < 80) return buf; from = entry->start; to = entry->end; if (!name) name = ""; buf += sprintf(buf, fmt + offset, from, to, name); if (entry->child) buf = do_resource_list(entry->child, fmt, offset-2, buf, end); entry = entry->sibling; } return buf; } |
函数do_resource_list()主要通过一个while{}循环以及递归嵌套调用来实现，较为简单，这里就不在详细解释了。
