Linux驱动设计—— 内外存访问
本节对内外存访问做详细的介绍。
驱动程序加载成功的一个关键因素，就是内核能够为驱动程序分配足够的内存空间。这些空间一部分用于驱动程序必要的数据结构，另一部分用于数据的交换。同时，内核也应该具有访问外部设备端口的能力。一般来说，外部设备被连接到内存空间或者I/O空间中。
内存分配
内核态的内存分配函数
kmalloc()
此函数在物理内存中为程序分配一个连续的存储空间。这个存储空间的数据不会被清零，也就是保存内存中原有的数据。
kmalloc()函数能够分配32字节、64字节、128字节、...、128KB大小的内存块。
static inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
size 参数：要分配的内存的大小
flags参数：
GFP_KERNEL,他表示内存分配（最终总是调用get_free_pages来实现实际的分配，这就是，这就是GFP前缀的由来）是代表运行在内核空间的进程执行的。使用GFP_KERNEL容许kmalloc在分配空闲内存时候如果内存不足容许把当前进程睡眠以等待。因此这时分配函数必须是可重入的。如果在进程上下文之外如：中断处理程序、tasklet以及内核定时器中这种情况下current进程不该睡眠，驱动程序该使用GFP_ATOMIC.
GFP_ATOMIC
用来从中断处理和进程上下文之外的其他代码中分配内存. 从不睡眠.
GFP_KERNEL
内核内存的正常分配. 可能睡眠.
GFP_USER
用来为用户空间页来分配内存; 它可能睡眠.
GFP_HIGHUSER
如同 GFP_USER, 但是从高端内存分配, 如果有. 高端内存在下一个子节描述.
GFP_NOIO
GFP_NOFS
这个标志功能如同 GFP_KERNEL, 但是它们增加限制到内核能做的来满足请求. 一个 GFP_NOFS 分配不允许进行任何文件系统调用, 而 GFP_NOIO 根本不允许任何 I/O 初始化. 它们主要地用在文件系统和虚拟内存代码, 那里允许一个分配睡眠, 但是递归的文件系统调用会是一个坏注意.
上面列出的这些分配标志可以是下列标志的相或来作为参数, 这些标志改变这些分配如何进行:
__GFP_DMA
这个标志要求分配在能够 DMA 的内存区. 确切的含义是平台依赖的并且在下面章节来解释.
__GFP_HIGHMEM
这个标志指示分配的内存可以位于高端内存.
__GFP_COLD
正常地, 内存分配器尽力返回"缓冲热"的页 -- 可能在处理器缓冲中找到的页. 相反, 这个标志请求一个"冷"页, 它在一段时间没被使用. 它对分配页作 DMA 读是有用的, 此时在处理器缓冲中出现是无用的. 一个完整的对如何分配 DMA 缓存的讨论看"直接内存存取"一节在第 1 章.
__GFP_NOWARN
这个很少用到的标志阻止内核来发出警告(使用 printk ), 当一个分配无法满足.
__GFP_HIGH
这个标志标识了一个高优先级请求, 它被允许来消耗甚至被内核保留给紧急状况的最后的内存页.
__GFP_REPEAT
__GFP_NOFAIL
__GFP_NORETRY
这些标志修改分配器如何动作, 当它有困难满足一个分配. __GFP_REPEAT 意思是" 更尽力些尝试" 通过重复尝试 -- 但是分配可能仍然失败. __GFP_NOFAIL 标志告诉分配器不要失败; 它尽最大努力来满足要求. 使用 __GFP_NOFAIL 是强烈不推荐的; 可能从不会有有效的理由在一个设备驱动中使用它. 最后, __GFP_NORETRY 告知分配器立即放弃如果得不到请求的内存.
vmalloc()
此函数用来分配虚拟地址连续但是物理地址不连续的内存。即vmalloc()函数分配的页在虚拟地址空间中是连续的，而在物理地址空间是不连续的。
常用于分配较大的内存，对于少量内存的分配最好使用__get_free_pages()函数。
vmalloc()函数会建立新的页表，将不连续的物理内存映射为连续的虚拟内存。
void *vmalloc(unsigned long size);
vmalloc()函数接收一个参数，size是分配连续内存的大小。如果函数执行成功，则返回虚拟地址连续的一块内存区域。为了释放内存，Linux内核也提供了一个释放vmalloc()函数分配的内存的函数vfree()。
void vfree(const void *addr);
内存区段
Linux把内存分成3个区段：可用于DMA的内存、常规内存、以及高端内存。X86平台上ISA设备DMA区段是内存的前16MB，而PCI设备无此限制。高端内存是32位平台为了访问大量的内存而存在的一种机制。
内存区后面的机制在 mm/page_alloc.c 中实现, 而内存区的初始化在平台特定的文件中, 常常在 arch 目录树的 mm/init.c。
Linux 处理内存分配通过创建一套固定大小的内存对象池. 分配请求被这样来处理, 进入一个持有足够大的对象的池子并且将整个内存块递交给请求者. 驱动开发者应当记住的一件事情是, 内核只能分配某些预定义的, 固定大小的字节数组.
如果你请求一个任意数量内存, 你可能得到稍微多于你请求的, 至多是 2 倍数量. 同样, 程序员应当记住 kmalloc 能够处理的最小分配是 32 或者 64 字节, 依赖系统的体系所使用的页大小. kmalloc 能够分配的内存块的大小有一个上限. 这个限制随着体系和内核配置选项而变化. 如果你的代码是要完全可移植, 它不能指望可以分配任何大于 128 KB. 如果你需要多于几个 KB, 但是, 有个比 kmalloc 更好的方法来获得内存。
在设备驱动程序或者内核模块中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc ,vmalloc，或者用get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree,vfree，或free_pages. kmalloc函数返回的是虚拟地址(线性地址). kmalloc特殊之处在于它分配的内存是物理上连续的,这对于要进行DMA的设备十分重要. 而用vmalloc分配的内存只是线性地址连续,物理地址不一定连续,不能直接用于DMA.
注意kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符结构占用了。kmalloc用法参见khg.
内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存)一般占用F0000000以上的地址空间。在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得重新映射以后的地址。
另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块内存需要一直驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟大小为32XPAGE_SIZE的内存,一般的PAGE_SIZE=4kB,也就是128kB的大小的内存。
后备高速缓存
为了避免在驱动程序中因为频繁的分配和释放内存块而产生内存碎片，Linux中为这些反复分配和释放的结构体预留了一些内存空间，使用内存池来管理，管理内存池的技术叫做slab分配器（相关函数定义在linux/slab.h文件中）。这种内存叫做后备高速缓存。
页面分配
内存分配
物理地址和虚拟地址之间的转换
设备IO端口的访问
LinuxIO端口读写函数
IO内存读写
使用IO端口
To be continue...
