linux內存操作--ioremap和mmap學習筆記


最近做一些相關的視頻輸出,對於保留framebuffer內存使用情況不是很清楚,現在找了一些資料整理出,准備使用。if (希望看到使用)  goto   用法;

對於一個系統來講,會有非常多的外設,那么這些外設的管理都是通過CPU完畢。那么CPU在這個過程中是怎樣找到外設的呢?

雖然在一個系統中會有諸多的外設,在每一個外設的接口電路中會有多個port。可是假設系統可以每一個port都被賦予一個詳細的地址值。那么在系統中就能輕易的找到不論什么一個外設。系統在管理的時候。無論是內存還是外設都須要分配一個內存地址。對於一個32bit的系統來講,可尋址的范圍為2^32=4G的地址空間。

既然說到地址空間,就要明白地址空間的種類:物理地址、總線地址、虛擬地址。

(1)物理地址

CPU地址總線傳來的地址,由硬件電路控制其詳細含義。

物理地址中非常大一部分是留給內存條中內存的。但也常被映射到其它存儲器上(如顯存、bios等)。

在程序指令中的虛擬地址經過段映射和頁面映射后。就生成了物理地址,這個物理地址被放到CPU的地址線上。

(2)總線地址

總線的地址線或在地址周期上產生的信號。

外設使用的是地址總線,cpu使用的是物理地址。

物理地址和總線地址之間的關系有系統設計決定的。

在X86平台上,物理地址就是總線地址。這是由於它們共享同樣的地址空間。在其它平台上,可能須要轉換/映射。

(3)虛擬地址

現代操作系統普遍採用虛擬內存管理(virtual memory management)機制,這須要MMU的支持。

MMU一般是CPU的一部分,假設處理器沒有MMU,或者有MMU但沒有啟用,CPU運行單元發出的內存地址將直接傳到芯片引腳上,被內存芯片(物理內存)接收。這成為物理地址。假設處理器啟用了MMU,CPU運行單元發出的內存地址將被MMU截獲,從CPU到MMU的地址稱為虛擬地址,而MMU將這個地址翻譯成還有一個地址發到CPU芯片的外部地址引腳上。也就是講虛擬地址映射成物理地址。

      linux中,進程的4GB內存分為用戶空間和內核空間。

用戶空間分布為1~3GB剩下的1GB為內核空間。程序猿僅僅能使用虛擬地址。

系統中每一個進程有各自的私實用戶控件(0~3GB),這個空間對系統中的其它進程是不可見的。

編址方式

  外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行工作的,外設寄存器也稱為“IOport”,而IOport的編址方式有兩種,獨立編址和統一編址。

統一編址:外設接口中的IO寄存器(即IOport)與主存單元一樣看待,每一個port占用一個存儲單元的地址,將主存的一部分划出來用作IO地址空間。

 統一編址的原理是將IO的port地址存儲器尋址的地址空間范圍之內,此方法也成為存儲器映像編址。

CPU訪問一個port的操作與訪問內存的操作同樣,也使用訪問內存的指令。

獨立編址是為port地址單獨開辟一部分地址空間,其訪問指令也須要使用單獨的指令(不同於內存訪問指令)

   依據CPU體系結構的不同,CPU對IOport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/Oport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)通常僅僅實現一個物理地址空間,外設I/Oport成為內存的一部分。

此時,CPU能夠象訪問一個內存單元那樣訪問外設I/Oport,而不須要設立專門的外設I/O指令。
  可是,這兩者在硬件實現上的差異對於軟件來說是全然透明的,驅動程序開發者能夠將內存映射方式的I/Oport和外設內存統一看作是"I/O內存"資源。
 一般來說,在系統執行時,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。可是CPU通常並沒有為這些已知的外設I/O內存資源的物理地址提前定義虛擬地址范圍。驅動程序並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),然后才干依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。

void * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags) 
入口: phys_addr:要映射的起始的IO地址。 
size:要映射的空間的大小。 
flags:要映射的IO空間的和權限有關的標志; 
功能: 將一個IO地址空間映射到內核的虛擬地址空間上去。便於訪問; 
實現:對要映射的IO地址空間進行推斷。低PCI/ISA地址不須要又一次映射。也不同意用戶將IO地址空間映射到正在使用的RAM中,最后申請一 個 vm_area_struct結構。調用remap_area_pages填寫頁表,若填寫過程不成功則釋放申請的vm_area_struct空 間;
意義:
比方isa設備和pci設備,或者是fb。硬件的跳線或者是物理連接方式決定了硬件上的內存影射到的cpu物理地址。

 
在內核訪問這些地址必須分配給這段內存以虛擬地址,這正是__ioremap的意義所在 ,須要注意的是,物理內存已經"存在"了,無需alloc page給這段地址了. 

為了使軟件訪問I/O內存,必須為設備分配虛擬地址.這就是ioremap的工作.這個函數專門用來為I/O內存區域分配虛擬地址(空間).對於直接映射的I/O地址ioremap不做不論什么事情。

有了ioremap(和iounmap),設備就能夠訪問不論什么I/O內存空間,不論它是否直接映射到虛擬地址空間.可是,這些地址永遠不能直接使用(指物理地址),而要用readb這樣的函數。

使用I/O內存首先要申請,然后才干映射,使用I/Oport首先要申請,或者叫請求,對於I/Oport的請求意思是讓內核知道你要訪問這個port,這樣內核知道了以后它就不會再讓別人也訪問這個port了.畢竟這個世界僧多粥少啊.申請I/Oport的函數是request_region, 申請I/O內存的函數是request_mem_region。request_mem_region函數並沒有做實際性的映射工作,僅僅是告訴內核要使用一塊內存地址。聲明占有。也方便內核管理這些資源。重要的還是ioremap函數,ioremap主要是檢查傳入地址的合法性,建立頁表(包含訪問權限),完畢物理地址到虛擬地址的轉換。


用法:

內核中的使用,往往是為某個設備預留一塊內存,當使用的時候須要在board中定義這個設備的內存resource。通過 platform_get_resource獲得設備的起始地址后。能夠對其進行request_mem_region和ioremap等操作,以便應用程序對其進行操作。

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