linux内核函数 ioremap()

1，ioremap

void * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags)
参数：
phys_addr：要映射的起始的IO地址；

size：要映射的空间的大小；

flags：要映射的IO空间的和权限有关的标志；

功能： 将一个IO地址空间映射到内核的虚拟地址空间上去，便于访问；

实现：对要映射的IO地址空间进行判断，低PCI/ISA地址不需要重新映射，也不允许用户将IO地址空间映射到正在使用的RAM中，最后申请一 个 vm_area_struct结构，调用remap_area_pages填写页表，若填写过程不成功则释放申请的vm_area_struct空 间；

意义：
比如isa设备和pci设备，或者是fb，硬件的跳线或者是物理连接方式决定了硬件上的内存影射到的cpu物理地址。
在内核访问这些地址必须分配给这段内存以虚拟地址,这正是__ioremap的意义所在 ,需要注意的是,物理内存已经"存在"了,无需alloc page给这段地址了.



为了使软件访问I/O内存,必须为设备分配虚拟地址.这就是ioremap的工作.这个函数专门用来为I/O内存区域分配虚拟地址(空间).对于直接映射的I/O地址ioremap不做任何事情(uClinux中是这么实现的??)
有了ioremap(和iounmap),设备就可以访问任何I/O内存空间,不论它是否直接映射到虚拟地址空间.但是,这些地址永远不能直接使用(指物理地址),而要用readb这种函数.

根据计算机平台和所使用总线的不同，I/O 内存可能是，也可能不是通过页表访问的，通过页表访问的是统一编址（PowerPC），否则是独立编址(Intel)。如果访问是经由页表进行的，内核必须首先安排物理地址使其对设备驱动 程序可见（这通常意味着在进行任何 I/O 之前必须先调用 ioremap）。如果访问无需页表，那么 I/O 内存区域就很象 I/O 端口，可以使 用适当形式的函数读写它们。

不管访问 I/O 内存时是否需要调用 ioremap，都不鼓励直接使用指向 I/O 内存的指针。尽管（在“I/O 端口和 I/O 内存” 介绍过）I/O 内存在硬件一级是象普通 RAM 一样寻址的，但在“I/O 寄存器和常规内存”中描述过的那些需要额外小心的情况中已经建议不要使用普 通指针。相反，使用“包装的”函数访问 I/O 内存，一方面在所有平台上都是安全的，另一方面，在可以直接对指针指向的内存区域执行操作的时候，该函数 是经过优化的


在X86体系下的，CPU的物理地址和PCI总线地址共用一个空间。linux内核将3G-4G的虚拟地址固定映射到了物理地址的0－1G的地方。但是如果外围设备上的地址高于1G，例如某块PCI卡分配到了一个高于1G的地址，就需要调用ioremap来重新建立该物理地址（总线地址）和虚拟地址之间的映射。这个映射过程是这样的：在ioremap.c文件的__ioremap函数中首先对将来映射的物理地址进行检查，也就是不能重新映射640K-1M地址（由于历史的原因，物理地址640k到1M空间被保留给了显卡）,普通的 ram地也不能重新被映射。之后调用get_vm_area获得可用的虚拟地址，然后根这虚拟地址和欲映射的物理地址修改页表，之后内核就可以用这个虚拟地址来访问映射的物理地址了。

 

2，ioremap

offset: 物理空间(I/O设备上的一块物理内存)的起始地址
size:   物理空间的大小

给一段物理地址(起始地址offset)建立页表(地址映射)
--------------------------------------------------
static inline void __iomem * ioremap(unsigned long offset, unsigned long size)
{  
    return __ioremap(offset, size, 0);
}   



    Remap an arbitrary physical address space into the kernel virtual address space. Needed when the kernel wants to access high addresses directly.
--------------------------------------------------
void __iomem * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags){
    void __iomem * addr;
    struct vm_struct * area;
    unsigned long offset, last_addr;
    last_addr = phys_addr + size - 1;
    if (!size || last_addr < phys_addr)
        return NULL;
    if (phys_addr >= ISA_START_ADDRESS && last_addr< ISA_END_ADDRESS)
        return (void __iomem *) phys_to_virt(phys_addr);

如果需要映射的空间的起始地址phys_addr为于ZONE_NORMAL区,通过virt_to_page()进行映射
|------------------------------------------------------------------------------|
|   if (phys_addr <= virt_to_phys(high_memory - 1))                            |
|    {                                                                         |
|       char *t_addr, *t_end;                                                  |
|       struct page *page;                                                     |
|       t_addr = __va(phys_addr);                                              |
|       t_end = t_addr + (size - 1);                                           |
|       for(page = virt_to_page(t_addr); page< = virt_to_page(t_end); page++) -|
|           if(!PageReserved(page))                                            |
|               return NULL;                                                   |
|   }                                                                          |
|------------------------------------------------------------------------------|
    offset = phys_addr & ~PAGE_MASK;
    phys_addr &= PAGE_MASK;
    size = PAGE_ALIGN(last_addr+1) - phys_addr;

通过“非连续存储器区”进行映射
get_vm_area()创建类型为vm_struct的新描述符
get_vm_area()首先调用kmalloc()为新描述符获得一个存储区；然后扫描类型为struct vm_struct的描述符表，查找一个可用线性地址空间(至少包含size+4096个地址)。
|----------------------------------------------------------|
|   area = get_vm_area(size, VM_IOREMAP | (flags << 20)); -|
|   if (!area)                                             |
|       return NULL;                                       |
|----------------------------------------------------------|

问题1:寄存器描述中的地址是物理地址还是虚拟地址（对mmu来说）?

      网上资料:所有spec datasheet描述的都是物理地址。没有哪个spec会描述虚拟地址，因为根本不知道designer会使用哪种OS，会映射到哪个虚拟地址.MMU使能之前，都是直接对物理地址操作。MMU使能之后，都是对虚拟地址操作。地址映射的关系（地址映射表）的建立，是在用PB进行WINCE定制编译的过程中实现的。地址映射关系（地址映射表）的实现，是在MMU使能的过程中，系统将建立好的映射表加载到MMU中的。

问题2:物理地址和虚拟地址详细的映射过程?

       来个具体分析的，假设地址总线为4，物理地址就有16，那么根据教材中说使用虚拟地址可以使总的地址超过物理地址，请问要怎么做的？就结合刚才说的4位总线来谈。

      首先你要明确什么是虚拟内存。虚拟内存实际上是操作系统对于内存管理的一种方式，比如说，对每个程序而言，它的内存编址都从0x00到0xff，但是实际上，这些内存对应的物理地址，应用程序本身是无法知道的，在这里就可以理解成操作系统对内存管理的一层抽象。
比如，可能进程init的虚拟地址0x00对应了物理地址的0x10，而kthreadd的虚拟地址0x00对应物理地址0x20，etc.
而且虚拟内存也是一种有效的进程间隔离的方式，极大的提升了进程的安全性和操作系统的稳定性，也就是我一个进程不管做什么，都是在它自己的地址空间里做的，不会影响到其他进程和OS。
当然这是理想情况，实际上还有进程间通信啦之类，这就不在这个问题的范围之内了。
而具体怎么把这些虚拟地址对应到物理地址上，这是操作系统做的事情，估计这个也就是你的问题。
----以上是背景1-----
然后我要明确一下：地址总线4位的意思是说内存用4个bit位来表达地址，所以能够index的地址位就是2^0-2^4，也就是0x0到0xf，就是16个bit的内存空间。
然后我们再来细化一下你的例子，就比方说在你的16bit的内存的机器上有1个OS，上面跑着2个程序。一般来说OS会保留地址的高位，比如11-15bit的位置，作为kernel space；然后0-10bit是user space。
在以上的前提下，虚拟内存的效果是：在每一个程序看来，这个程序都有0x0到0xf的地址可以用，并且它们的0xb-0xf都是shared kernel space，然后0x0-0xa都是自己的user space，这样仿佛就有了32个bit的地址一样。这就是你所谓的是用虚拟地址可以使总的地址操作物理地址。至于os是怎么做到这点的，继续往下看。
-----以上是背景2-----
操作系统对每一个进程有一个进程控制块，叫PCB，Process Control Block，里边存储了每一个进程的进程信息，比如说寄存器，file descriptor，还有我们最关心的内存映射信息。每一个进程有一个递增的id号，叫pid，也就是Process IDentifier.
-----以上是背景3-----
进程间切换，也就是说，比如说你一个系统只有1个CPU，但是有两个进程要跑，而且要让我们看起来好像是两个进程同时在跑一样。为什么我要提到这个呢，后面继续看。
-----以上是背景4-----
好，现在来讲如何把虚拟地址映射到物理地址。从程序的角度来看，从malloc开始讲起，比如，在某一时刻，一个进程调用了malloc，在堆（heap）上申请了2bits的空间。实际上这个行为的流程是，程序调用malloc，进入内核模式之后，调用mmap，如果成功，操作系统会从物理地址上取一块2bits的内存，交给应用程序编入虚拟地址空间。更详细一点说，每个进程对内存管理是一个红黑树的结构，也就是说，在每一个进程的PCB，里维护了一颗红黑树，然后动态的将所有的新分配的内存加到这个红黑树里边，以保证程序对每一块内存的访问时间是差不多的。然后不知道你们教材中有没有提到页表（page table），页表也是PCB中的一项，你们教材中应该会对页表有详细的讲解，将如何对内存的地址进行换算，之类的。然后你要明确，页表实际上是红黑树的cache，这样可以加速程序对于常用的内存的访问速度。
以上是操作系统对内存管理的一个大致概括，就是一块物理的内存如何映射成为一块虚拟的内存。
我在背景2中说，两个程序都看到自己有16个bit的虚拟地址，总共有32bit，但是实际上硬件只有16bits，也就是说，不管你在红黑树和页表中怎么映射，一定会有冲突发生，比如，可能物理地址的0x02对应了进程1中的0x04，又在进程2的PCB中映射到了pid2的虚拟地址位0x06上。操作系统如何解决这个矛盾呢，首先在进程pid 1运行的时候，这个0x02对应的是pid1中的0x04；然后这个时候进程切换发生了，pid 2开始运行。当pid2需要用到它的0x04时，os发现0x02这个地址在pid1中也有映射，于是它就把0x02这个地址上的内容存到硬盘上的一个叫swap的空间内，然后把这个地址交给pid2使用。这样就达到了扩大虚拟地址的效果。
但是这样做是有代价的，因为一旦这个page被swap出去，那么在pid1再来调用的时候会发生一系列的miss，从L1 cache miss到 L2 cache miss到L3 cache miss，然后页表miss，memory miss，会对程序的性能造成极大的影响。影响有多大呢，平均来说：
L1 cache hit: 0.5ns
L2 cache hit: 7ns
主内存引用：100ns
顺序从内存中读取1MB：250,000ns
硬盘寻道：10,000,000ns
从硬盘上顺序读取1MB：30,000,000ns
所以你就可以知道这种行为是以极大的性能为代价的。
----讲完啦-----
总的来说这个很大的话题，我刚才所写的东西的就是试图让你对虚拟内存这个东西有一个基本的概念，然后大致的了解内存是如何映射的。就我现在能想到的，对这个虚拟内存话题的讨论还包括多级页表，进程间隔离&通信以及memory fragment。

插入:readl()

writel() 往内存映射的 I/O 空间上写数据，wirtel()   I/O 上写入 32 位数据 (4字节)。
原型：

引用
#include

void writel (unsigned char data , unsigned short addr )

readl() 从内存映射的 I/O 空间读取数据,readl 从 I/O 读取 32 位数据 ( 4 字节 )。
原型：
#include

unsigned char readl (unsigned int addr )

注：变量    addr  是 I/O 地址。

返回值 ： 从 I/O 空间读取的数值