ioremap 与 mmap【转】
轉自：http://blog.csdn.net/junllee/article/details/7415732
內存映射
? ? 對于提供了MMU（存儲管理器，輔助操作系統進行內存管理，提供虛實地址轉換等硬件支持）的處理器而言，Linux提供了復雜的存儲管理系統，使得進程所能訪問的內存達到4GB。
進程的4GB內存空間被人為的分為兩個部分--用戶空間與內核空間。用戶空間地址分布從0到3GB(PAGE_OFFSET，在0x86中它等于0xC0000000)，3GB到4GB為內核空間，如下圖：
內核空間中，從3G到vmalloc_start這段地址是物理內存映射區域（該區域中包含了內核鏡像、物理頁框表mem_map等等），比如我們使用的VMware虛擬系統內存是160M，那么3G～3G+160M這片內存就應該映射物理內存。在物理內存映射區之后，就是vmalloc區域。對于 160M的系統而言，vmalloc_start位置應在3G+160M附近（在物理內存映射區與vmalloc_start期間還存在一個8M的gap 來防止躍界），vmalloc_end的位置接近4G(最后位置系統會保留一片128k大小的區域用于專用頁面映射)，如下圖：
kmalloc和get_free_page申請的內存位于物理內存映射區域，而且在物理上也是連續的，它們與真實的物理地址只有一個固定的偏移，因此存在較簡單的轉換關系，virt_to_phys()可以實現內核虛擬地址轉化為物理地址：
#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address)
{
return __pa(address);
}
上面轉換過程是將虛擬地址減去3G（PAGE_OFFSET=0XC000000）。
與之對應的函數為phys_to_virt()，將內核物理地址轉化為虛擬地址：
#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()都定義在include＼asm-i386＼io.h中。
而vmalloc申請的內存則位于vmalloc_start～vmalloc_end之間，與物理地址沒有簡單的轉換關系，雖然在邏輯上它們也是連續的，但是在物理上它們不要求連續。
我們用下面的程序來演示kmalloc、get_free_page和vmalloc的區別：
#include?
#include?
#include?
MODULE_LICENSE("GPL");?
unsigned char *pagemem;
unsigned char *kmallocmem;
unsigned char *vmallocmem;
int __init mem_module_init(void)
{
//最好每次內存申請都檢查申請是否成功
//下面這段僅僅作為演示的代碼沒有檢查
pagemem = (unsigned char*)get_free_page(0);
printk("pagemem addr=%x", pagemem);
kmallocmem = (unsigned char*)kmalloc(100, 0);
printk("kmallocmem addr=%x", kmallocmem);
vmallocmem = (unsigned char*)vmalloc(1000000);
printk("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);
我們的系統上有160MB的內存空間，運行一次上述程序，發現pagemem的地址在0xc7ArrayArray7000（約3G+121M）、kmallocmem 地址在0xcArraybc1380（約3G+155M）、vmallocmem的地址在0xcabeb000（約3G+171M）處，符合前文所述的內存布局。
接下來，我們討論Linux設備驅動究竟怎樣訪問外設的I/O端口（寄存器）。
幾乎每一種外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行的，通常包括控制寄存器、狀態寄存器和數據寄存器三大類，外設的寄存器通常被連續地編址。根據CPU體系結構的不同，CPU對IO端口的編址方式有兩種：
（1）I/O映射方式（I/O-mapped）
典型地，如X86處理器為外設專門實現了一個單獨的地址空間，稱為"I/O地址空間"或者"I/O端口空間"，CPU通過專門的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）來訪問這一空間中的地址單元。
（2）內存映射方式（Memory-mapped）
RISC指令系統的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只實現一個物理地址空間，外設I/O端口成為內存的一部分。此時，CPU可以象訪問一個內存單元那樣訪問外設I/O端口，而不需要設立專門的外設I/O指令。
但是，這兩者在硬件實現上的差異對于軟件來說是完全透明的，驅動程序開發人員可以將內存映射方式的I/O端口和外設內存統一看作是"I/O內存"資源。
一般來說，在系統運行時，外設的I/O內存資源的物理地址是已知的，由硬件的設計決定。但是CPU通常并沒有為這些已知的外設I/O內存資源的物理地址預定義虛擬地址范圍，驅動程序并不能直接通過物理地址訪問I/O內存資源，而必須將它們映射到核心虛地址空間內（通過頁表），然后才能根據映射所得到的核心虛地址范圍，通過訪內指令訪問這些I/O內存資源。Linux在io.h頭文件中聲明了函數ioremap（），用來將I/O內存資源的物理地址映射到核心虛地址空間（3GB－4GB）中，原型如下：
void *?ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);
iounmap函數用于取消ioremap（）所做的映射，原型如下：
void iounmap(void * addr);
這兩個函數都是實現在mm/ioremap.c文件中。
在將I/O內存資源的物理地址映射成核心虛地址后，理論上講我們就可以象讀寫RAM那樣直接讀寫I/O內存資源了。為了保證驅動程序的跨平臺的可移植性，我們應該使用Linux中特定的函數來訪問I/O內存資源，而不應該通過指向核心虛地址的指針來訪問。如在x86平臺上，讀寫I/O的函數如下所示：
#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，我們要特別強調驅動程序中mmap函數的實現方法。用mmap映射一個設備，意味著使用戶空間的一段地址關聯到設備內存上，這使得只要程序在分配的地址范圍內進行讀取或者寫入，實際上就是對設備的訪問。
筆者在Linux源代碼中進行包含"ioremap"文本的搜索，發現真正出現的ioremap的地方相當少。所以筆者追根索源地尋找I/O操作的物理地址轉換到虛擬地址的真實所在，發現Linux有替代ioremap的語句，但是這個轉換過程卻是不可或缺的。
譬如我們再次摘取S3C2410這個ARM芯片RTC（實時鐘）驅動中的一小段：
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 1Array00 */
rtc_tm->tm_year += RTC_LEAP_YEAR - 1Array00;
/* tm_mon starts at 0, but rtc month starts at 1 */
rtc_tm->tm_mon--;
}
I/O操作似乎就是對ALMYEAR、ALMMON、ALMDAY定義的寄存器進行操作，那這些宏究竟定義為什么呢？
#define ALMDAY bRTC(0x60)
#define ALMMON bRTC(0x64)
#define ALMYEAR bRTC(0x68)
其中借助了宏bRTC，這個宏定義為：
#define bRTC(Nb) __REG(0x57000000 + (Nb))
其中又借助了宏__REG，而__REG又定義為：
# define __REG(x) io_p2v(x)
最后的io_p2v才是真正"玩"虛擬地址和物理地址轉換的地方：?
#define io_p2v(x) ((x) | 0xa0000000)
與__REG對應的有個__PREG：
# define __PREG(x) io_v2p(x)
與io_p2v對應的有個io_v2p：
#define io_v2p(x) ((x) & ~0xa0000000)
可見有沒有出現ioremap是次要的，關鍵問題是有無虛擬地址和物理地址的轉換！
下面的程序在啟動的時候保留一段內存，然后使用ioremap將它映射到內核虛擬空間，同時又用remap_page_range映射到用戶虛擬空間，這樣一來，內核和用戶都能訪問。如果在內核虛擬地址將這段內存初始化串"abcd"，那么在用戶虛擬地址能夠讀出來：
/************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)) vm_pgoff 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函數的功能是構造用于映射一段物理地址的新頁表，實現了內核空間與用戶空間的映射，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最典型的例子是顯示卡的驅動，將顯存空間直接從內核映射到用戶空間將可提供顯存的讀寫效率。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的ioremap 与 mmap【转】的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
