转载Linux设备驱动编程之内存与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
#include
#include
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
#include
#include
#include
#include /* for mem_map_(un)reserve */
#include /* for virt_to_phys */
#include /* 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。

(mmap函数功能:

mmap

　　功能描述：

　　mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作，删除特定地址区域的对象映射。

　　基于文件的映射，在mmap和munmap执行过程的任何时刻，被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在前述的情况下没有得到更新，首次对映射区的第一个页索引时会更新该字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED标志建立起来的文件映射，其st_ctime 和 st_mtime

　　在对映射区写入之后，但在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新。

　　用法：

　　#include

　　void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,

　　int fd, off_t offset);

　　int munmap(void *start, size_t length);

　　参数：

　　start：映射区的开始地址。

　　length：映射区的长度。

　　prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起

　　PROT_EXEC //页内容可以被执行

　　PROT_READ //页内容可以被读取

　　PROT_WRITE //页可以被写入

　　PROT_NONE //页不可访问

　　flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体

　　MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。

　　MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。

　　MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。

　　MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。

　　MAP_EXECUTABLE //同上

　　MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。

　　MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。

　　MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。

　　MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。

　　MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。

　　MAP_FILE //兼容标志，被忽略。

　　MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。

　　MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。

　　MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。

　　fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。

　　offset：被映射对象内容的起点。

　　返回说明：

　　成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值

　　EACCES：访问出错

　　EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定

　　EBADF：fd不是有效的文件描述词

　　EINVAL：一个或者多个参数无效

　　ENFILE：已达到系统对打开文件的限制

　　ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射

　　ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量

　　EPERM：权能不足，操作不允许

　　ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志

　　SIGSEGV：试着向只读区写入

　　SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区

 

例子:fd = open("./shmap.txt",O_RDWR|O_CREAT,S_IRUSR|S_IWUSR|S_IXUSR);
 
mmap(shmptr,SHM_SIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
)

 

介绍２:

[转载]linux下 mmap函数介绍 - 窗前喇叭花 - xiaohonghong - 和讯博客

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　　mmap函数是unix/linux下的系统调用，来看《Unix Netword programming》卷二12.2节对mmap的介绍：
The mmap function maps either a file or a Posix shared memory object into the address space of a process.We use this function for three purposes:
1. with a regular file to provide memory-mapped I/O
2. with special files to provide anonymous memory mappings
3. with shm_open to provide Posix shared memory between unrelated processes

         mmap系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而 Posix或系统V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。
         mmap系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write（）等操作。

         我们的程序中大量运用了mmap，用到的正是mmap的这种“像访问普通内存一样对文件进行访问”的功能。实践证明，当要对一个文件频繁的进行访问，并且指针来回移动时，调用mmap比用常规的方法快很多。
         来看看mmap的定义：
void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

         参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字，一般由open()返回，同时，fd可以指定为-1，此时须指定flags参数中的MAP_ANON，表明进行的是匿名映射（不涉及具体的文件名，避免了文件的创建及打开，很显然只能用于具有亲缘关系的进程间通信）。

         len是映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起。

         prot参数指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的或：PROT_READ（可读）,PROT_WRITE（可写）,PROT_EXEC（可执行）,PROT_NONE（不可访问）。

         flags由以下几个常值指定：MAP_SHARED, MAP_PRIVATE, MAP_FIXED。其中，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE必选其一，而MAP_FIXED则不推荐使用。
         如果指定为MAP_SHARED，则对映射的内存所做的修改同样影响到文件。如果是MAP_PRIVATE，则对映射的内存所做的修改仅对该进程可见，对文件没有影响。

         offset参数一般设为0，表示从文件头开始映射。

         参数addr指定文件应被映射到进程空间的起始地址，一般被指定一个空指针，此时选择起始地址的任务留给内核来完成。函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址，进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。

         看看下面这个图(来自《Unix Netword programming》卷二12.2节)，对mmap进一步加深印象：

　　　这里不再详细介绍mmap的参数，读者可参考mmap手册页或者《Unix Netword programming》卷二12.2节获得进一步的信息。

         最后，举个例子来结束本节。4.2节说过，Fileinformation数组是以二进制的形式写进一个叫inforindex的文件中。那么，当要访问Fileinformation数组时，代码类似这样：
struct stat st;
char buffer=” inforindex”;
Fileinformation *_fileinfoIndexptr = NULL;
if(stat(buffer,&st)<0)
{
       fprintf(stderr,"error to stat %s\n",buffer);
       exit(-1);
}

// mmap the inforindex to _fileinfoIndexptr
int fd=open(buffer, O_RDONLY);
if(fd<0)
{
       printf("error to open %s\n",buffer);
       exit(-1);
}
_fileinfoIndexptr   = (Fileinformation*)mmap(NULL,st.st_size, PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0);

if(MAP_FAILED == _fileinfoIndexptr)
{
       printf("error to mmap %s\n",buffer);
close(fd);
       exit(-1);
}
close(fd);

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