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分类: LINUX

2012-08-19 19:21:22

原帖地址:http://blog.chinaunix.net/uid-21289517-id-1828459.html
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/Omapped),另一种是内存映射方式(Memorymapped)。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,PowerPCm68k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。这就是所谓的内存映射方式Memorymapped)。
  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CPURAM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X86INOUT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/Omapped)。与RAM物理地址空间相比,I/O地址空间通常都比较小,如x86 CPUI/O空间就只有64KB00xffff)。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。
31 LinuxI/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、DMAIRQ等)。该结构定义在include/linux/ioport.h头文件中:
       

  1. struct resource {  
  2.        const char *name;  
  3.        unsigned long start, end;  
  4.        unsigned long flags;  
  5.        struct resource *parent, *sibling, *child;  
  6. };  
  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. startend: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parentsiblingchild: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):

       

  1. /* 
  2. * IO resources have these defined flags. 
  3. */  
  4. #define IORESOURCE_BITS            0x000000ff       /* Bus-specific bits */  
  5.   
  6. #define IORESOURCE_IO              0x00000100       /* Resource type */  
  7. #define IORESOURCE_MEM             0x00000200  
  8. #define IORESOURCE_IRQ             0x00000400  
  9. #define IORESOURCE_DMA             0x00000800  
  10.   
  11. #define IORESOURCE_PREFETCH        0x00001000       /* No side effects */  
  12. #define IORESOURCE_READONLY        0x00002000  
  13. #define IORESOURCE_CACHEABLE       0x00004000  
  14. #define IORESOURCE_RANGELENGTH     0x00008000  
  15. #define IORESOURCE_SHADOWABLE      0x00010000  
  16. #define IORESOURCE_BUS_HAS_VGA     0x00080000  
  17.   
  18. #define IORESOURCE_UNSET  0x20000000  
  19. #define IORESOURCE_AUTO            0x40000000  
  20. #define IORESOURCE_BUSY            0x80000000  
  21. /* Driver has marked this resource busy */  
/* * 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parentsiblingchild的设置是为了以一种树的形式来管理各种I/O资源。
3
2 LinuxI/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、DMAIRQ)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,Linuxkernel/Resource.c文件中实现了对资源的申请、释放及查找等操作。
  321 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rootr1r2r3实际上都是一个resource结构类型。子资源r1r2r3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。r1r2r3parent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:root指针,表示要在哪个资源根节点中进行分配;new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:
  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:
  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;
  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。
  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

  1. (kernel/Resource.c):  
  2. /* Return the conflict entry if you can't request it */  
  3. static struct resource * __request_resource  
  4.   (struct resource *root, struct resource *new)  
  5. {  
  6.          unsigned long start = new->start;  
  7.          unsigned long end = new->end;  
  8.          struct resource *tmp, **p;  
  9.   
  10.          if (end   
  11.                  return root;  
  12.          if (start start)  
  13.                  return root;  
  14.          if (end > root->end)  
  15.                  return root;  
  16.          p = &root->child;  
  17.          for (;;) {  
  18.                  tmp = *p;  
  19.                  if (!tmp || tmp->start > end) {  
  20.                           new->sibling = tmp;  
  21.                           *p = new;  
  22.                           new->parent = root;  
  23.                           return NULL;  
  24.                  }  
  25.                  p = &tmp->sibling;  
  26.                  if (tmp->end   
  27.                           continue;  
  28.                  return tmp;  
  29.          }  
  30. }  
(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 return root; if (start 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 continue; return tmp; } }


  对函数的NOTE
  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。
  接下来用一个for循环遍历根节点rootchild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>siblingFor循环体的执行步骤如下:
  l tmp指向当前正被扫描的resource结构(tmp*p)。
  l 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:设置newsibling指针指向当前正被扫描的节点tmpnew->sibling=tmp);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);newparent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)。
  l 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tmpnew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]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。
  322 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:

  1. int release_resource(struct resource *old)  
  2. {  
  3.          int retval;  
  4.   
  5.          write_lock(&resource_lock);  
  6.          retval = __release_resource(old);  
  7.          write_unlock(&resource_lock);  
  8.          return retval;  
  9. }  
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:

  1. static int __release_resource(struct resource *old)  
  2. {  
  3.          struct resource *tmp, **p;  
  4.   
  5.          p = &old->parent->child;  
  6.          for (;;) {  
  7.                  tmp = *p;  
  8.                  if (!tmp)  
  9.                           break;  
  10.                  if (tmp == old) {  
  11.                           *p = tmp->sibling;  
  12.                           old->parent = NULL;  
  13.                           return 0;  
  14.                  }  
  15.                  p = &tmp->sibling;  
  16.          }  
  17.          return -EINVAL;  
  18. }  
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:
  首先,让tmp指针指向当前被扫描的节点(tmp*p)。
  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。
  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oldchild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。
  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。
  323 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:

  1. int check_resource(struct resource *root, unsigned long start, unsigned long len)  
  2. {  
  3.          struct resource *conflict, tmp;  
  4.   
  5.          tmp.start = start;  
  6.          tmp.end = start + len - 1;  
  7.          write_lock(&resource_lock);  
  8.          conflict = __request_resource(root, &tmp);  
  9.          if (!conflict)  
  10.                  __release_resource(&tmp);  
  11.          write_unlock(&resource_lock);  
  12.          return conflict ? -EBUSY : 0;  
  13. }  
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:
  构造一个临时资源tmp,表示所要检查的资源[start,start+end-1]
  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conflictNULL的情况下,调用__release_resource()将刚刚申请的资源释放掉。
  最后根据conflict是否为NULL,返回-EBUSY0值。
  324 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:

  1. /* 
  2. * Find empty slot in the resource tree given range and alignment. 
  3. */  
  4. static int find_resource(struct resource *root, struct resource *new,  
  5.                    unsigned long size,  
  6.                    unsigned long min, unsigned long max,  
  7.                    unsigned long align,  
  8.                    void (*alignf)(void *, struct resource *, unsigned long),  
  9.                    void *alignf_data)  
  10. {  
  11.          struct resource *this = root->child;  
  12.   
  13.          new->start = root->start;  
  14.          for(;;) {  
  15.                  if (this)  
  16.                           new->end = this->start;  
  17.                  else  
  18.                           new->end = root->end;  
  19.                  if (new->start   
  20.                           new->start = min;  
  21.                  if (new->end > max)  
  22.                           new->end = max;  
  23.                  new->start = (new->start + align - 1) & ~(align - 1);  
  24.                  if (alignf)  
  25.                           alignf(alignf_data, new, size);  
  26.                  if (new->start end && new->end - new->start + 1 >= size)   
  27.                   {  
  28.                           new->end = new->start + size - 1;  
  29.                           return 0;  
  30.                  }  
  31.                  if (!this)  
  32.                           break;  
  33.                  new->start = this->end + 1;  
  34.                  this = this->sibling;  
  35.          }  
  36.          return -EBUSY;  
  37. }  
/* * 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 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 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rootchild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:
  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。
  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。
  根据参数minmax修正new->[start,end]的值,以使资源new被包含在[min,max]区域内。
  接下来进行对齐操作。
  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(endstart1>=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)。
  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。
  325 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:

  1. /* 
  2. * Allocate empty slot in the resource tree given range and alignment. 
  3. */  
  4. int allocate_resource(struct resource *root, struct resource *new,  
  5.                        unsigned long size,  
  6.                        unsigned long min, unsigned long max,  
  7.                        unsigned long align,  
  8.                        void (*alignf)(void *, struct resource *, unsigned long),  
  9.                        void *alignf_data)  
  10. {  
  11.     int err;  
  12.   
  13.     write_lock(&resource_lock);  
  14.     err = find_resource(root, new, size, min, max, align, alignf, alignf_data);  
  15.     if (err >= 0 && __request_resource(root, new))  
  16.          err = -EBUSY;  
  17.     write_unlock(&resource_lock);  
  18.     return err;  
  19. }  
/* * 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; }


  326 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:

  1. int get_resource_list(struct resource *root, char *buf, int size)  
  2. {  
  3.          char *fmt;  
  4.          int retval;  
  5.   
  6.          fmt = "        %08lx-%08lx : %s";  
  7.          if (root->end   
  8.                  fmt = "        %04lx-%04lx : %s";  
  9.          read_lock(&resource_lock);  
  10.          retval = do_resource_list(root->child, fmt, 8, buf, buf + size) - buf;  
  11.          read_unlock(&resource_lock);  
  12.          return retval;  
  13. }  
int get_resource_list(struct resource *root, char *buf, int size) { char *fmt; int retval; fmt = " %08lx-%08lx : %s"; if (root->end 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:

  1. /* 
  2. * This generates reports for /proc/ioports and /proc/iomem 
  3. */  
  4. static char * do_resource_list(struct resource *entry, const char *fmt,   
  5.   int offset, char *buf, char *end)  
  6. {  
  7.          if (offset   
  8.                  offset = 0;  
  9.   
  10.          while (entry) {  
  11.                  const char *name = entry->name;  
  12.                  unsigned long from, to;  
  13.   
  14.                  if ((int) (end-buf)   
  15.                           return buf;  
  16.   
  17.                  from = entry->start;  
  18.                  to = entry->end;  
  19.                  if (!name)  
  20.                           name = "";  
  21.   
  22.                  buf += sprintf(buf, fmt + offset, from, to, name);  
  23.                  if (entry->child)  
  24.                     buf = do_resource_list(entry->child, fmt, offset-2, buf, end);  
  25.                  entry = entry->sibling;  
  26.          }  
  27.   
  28.          return buf;  
  29. }  
  30.     
/* * 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 offset = 0; while (entry) { const char *name = entry->name; unsigned long from, to; if ((int) (end-buf) 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。

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