《linux设备驱动开发详解》笔记——11内存与IO访问
内存访问与映射是linux驱动常见操作，操作硬件时离不开内存的映射，本章比较重要。
11.1 CPU与内存、I/O
- 目前的嵌入式处理器，都不提供专门的I/O空间，而仅存在内存空间；各种外设寄存器都直接映射到内存空间，可以通过指针直接访问
- x86一般提供专门的I/O空间， 用特殊指令访问这些空间；
- CPU访问虚拟地址，MMU把虚拟地址转换为物理地址。MMU的知识点还是比较多，也比较复杂，可以看看ARM的介绍性文档，例如“DEN0013*_cortex_a_series_PG_Programmer’s Guide”，对cache和MMU的介绍比较详细，可以作为入门资料，此处不展开了。
11.2 linux内存管理
- 共4GB空间，0~3G为用户空间，3G~4G为内核空间；
- 用户空间和内核空间都是虚拟地址
- 用户空间每个进程单独映射，互不干扰
- 内核空间内核自己映射，所有进程共享，独立于
linux使用buddy算法进行这些区域的管理，以2^n为单位进行管理，文件/proc/buddyinfo显示空闲的页数，依次为2^0，2^1,2^2的剩余页面个数。
$ cat /proc/buddyinfo Node 0, zone DMA 10 9 5 5 2 2 1 2 2 2 0 Node 0, zone DMA32 2521 1174 822 561 206 97 33 13 5 0 0
2^0 2^1 2^2 2^3 ......对应的空闲页面数
!!! 11.3 内存存取
11.3.1 用户空间内存申请
- C库实现的，malloc()与free()成对儿使用，C库的malloc一般通过brk和mmap两个系统调用来实现的；
- malloc是按需分配，也叫写时分配，写时，会发生MMU页错误，然后进入中断进行内存分配。
#include <malloc.h> extern void *malloc (size_t __size);
返回值：
NULL:出错
11.3.2 内核空间内存申请
11.3.2.1 kmalloc
实现是调用了更底层的__get_free_pages()函数，flags的前导GFP_也是这个函数的缩写。 kmalloc申请的是连续内存
#include <linux/slab.h>
/** * kmalloc - allocate memory * @size: how many bytes of memory are required. * @flags: the type of memory to allocate. * * kmalloc is the normal method of allocating memory * for objects smaller than page size in the kernel. * * The @flags argument may be one of: * * %GFP_USER - Allocate memory on behalf of user. May sleep. * * %GFP_KERNEL - Allocate normal kernel ram. May sleep. 可能阻塞 * * %GFP_ATOMIC - Allocation will not sleep. May use emergency pools. * For example, use this inside interrupt handlers.
* 在中断处理函数、tasklet和内核定时器等非进程上下文不能阻塞，或者进程上下文但持有自旋锁时也不能阻塞，就需要用这个flag申请内存了。 * * %GFP_HIGHUSER - Allocate pages from high memory. * * %GFP_NOIO - Do not do any I/O at all while trying to get memory. * * %GFP_NOFS - Do not make any fs calls while trying to get memory. * * %GFP_NOWAIT - Allocation will not sleep. * * %__GFP_THISNODE - Allocate node-local memory only. * * %GFP_DMA - Allocation suitable for DMA. * Should only be used for kmalloc() caches. Otherwise, use a * slab created with SLAB_DMA. * * Also it is possible to set different flags by OR'ing * in one or more of the following additional @flags: * * %__GFP_COLD - Request cache-cold pages instead of * trying to return cache-warm pages. * * %__GFP_HIGH - This allocation has high priority and may use emergency pools. * * %__GFP_NOFAIL - Indicate that this allocation is in no way allowed to fail * (think twice before using). * * %__GFP_NORETRY - If memory is not immediately available, * then give up at once. * * %__GFP_NOWARN - If allocation fails, don't issue any warnings. * * %__GFP_REPEAT - If allocation fails initially, try once more before failing. * * There are other flags available as well, but these are not intended * for general use, and so are not documented here. For a full list of * potential flags, always refer to linux/gfp.h. */ static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
void kfree(const void *); // 注意不要忘记释放
11.3.2.2 __get_free_pages
linux底层分配内存的方法，buddy算法，2^n为单位。用的比较少，不写了
11.3.2.3 vmalloc
大量内存映射，开销较大， 实际调用GFP_KERNEL和kmalloc实现，可能引起阻塞。
#include <linux/vmalloc.h> void * vmalloc( unsigned long size );
void * vfree( const void * addr );
11.3.2.4 slab
用的少，不说了。
!!! 11.4 设备I/O端口和I/O内存的访问
概念：
- x86：设备的多个寄存器如果位于I/O空间，则被称为I/O端口；
- ARM/PPC等主流嵌入式：设备的多个寄存器如果位于内存空间，则被称为I/O内存；
11.4.1 I/O端口与I/O内存访问
11.4.1.1 I/O端口
inb/outb/inw/outw等，嵌入式基本没用。
11.4.1.2 I/O内存
在使用前，先要通过ioremap()函数，将物理地址转换为虚拟地址上，才能访问。转换的虚拟地址位于vmalloc区。
ioremap()函数不进行内存分配，但需要建立新的页表(vmalloc同时进行内存分配和新建页表)。
#include <asm/io.h>
/* ioremap映射后必须使用iounmap解除映射 */ #define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE) #define ioremap_nocache(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE) #define ioremap_cache(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE_CACHED) #define ioremap_wc(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE_WC) #define iounmap __arm_iounmap void __iomem *__arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size, unsigned int mtype)； void __arm_iounmap(volatile void __iomem *addr)；
/* 有一个ioremap的变体，退出或出错不需要解除映射 */
void __iomem *devm_ioremap(struct device *dev, resource_size_t offset,unsigned long size)
带devm的跟dev挂钩，设备(device)被detached或者驱动(driver)卸载(unloaded)时，内存会被自释放
映射以后，理论上可以直接通过虚拟地址的指针操作访问IO内存了，不过linux提供了一套更好的API，应使用这套API访问IO内存。
【注】没有_relaxed后缀的接口，会进行额外的内存屏障操作
#include <asm/io.h>
#define readb_relaxed(c) ({ u8 __r = __raw_readb(c); __r; }) #define readw_relaxed(c) ({ u16 __r = le16_to_cpu((__force __le16) \ __raw_readw(c)); __r; }) #define readl_relaxed(c) ({ u32 __r = le32_to_cpu((__force __le32) \ __raw_readl(c)); __r; }) #define writeb_relaxed(v,c) __raw_writeb(v,c) #define writew_relaxed(v,c) __raw_writew((__force u16) cpu_to_le16(v),c) #define writel_relaxed(v,c) __raw_writel((__force u32) cpu_to_le32(v),c) #define readb(c) ({ u8 __v = readb_relaxed(c); __iormb(); __v; }) #define readw(c) ({ u16 __v = readw_relaxed(c); __iormb(); __v; }) #define readl(c) ({ u32 __v = readl_relaxed(c); __iormb(); __v; }) #define writeb(v,c) ({ __iowmb(); writeb_relaxed(v,c); }) #define writew(v,c) ({ __iowmb(); writew_relaxed(v,c); }) #define writel(v,c) ({ __iowmb(); writel_relaxed(v,c); })
11.4.2 申请与释放I/O端口与I/O内存
11.4.2.1 I/O端口申请
11.4.2.2 I/O内存申请
【注】如果request相关函数返回NULL，则说明申请失败。 request并进行页表映射，只是告诉内核我占用了这段物理地址，别人不能再占用了。 相当于内核提供了一种类似互斥的操作，驱动可以充分利用此特性，自然的实现共享资源的互斥访问。理论上，不进行request申请操作，直接ioremap应该也是可以的。
#include <linux/ioport.h> #define request_region(start,n,name) __request_region(&ioport_resource, (start), (n), (name), 0) // IO端口 #define release_region(start,n) __release_region(&ioport_resource, (start), (n)) #define request_mem_region(start,n,name) __request_region(&iomem_resource, (start), (n), (name), 0) // IO内存 #define release_mem_region(start,n) __release_region(&iomem_resource, (start), (n)) struct resource * __request_region(struct resource *,resource_size_t start,resource_size_t n,const char *name, int flags); void __release_region(struct resource *parent, resource_size_t start,resource_size_t n)
11.4.3 I/O端口与I/O内存访问流程
11.4.4 将设备地址映射到用户空间
显卡、显示器那类的驱动比较有用，后续添加。
11.5 I/O内存静态映射
不太重要
11.6 DMA
用时添加
