ioremap和mmap作為linux內(nèi)存的關(guān)鍵操作

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)講，會(huì)有很多的外設(shè)，那么這些外設(shè)的管理都是通過(guò)CPU完成。那么CPU在這個(gè)過(guò)程中是如何找到外設(shè)的呢？

盡管在一個(gè)系統(tǒng)中會(huì)有諸多的外設(shè)，在每個(gè)外設(shè)的接口電路中會(huì)有多個(gè)端口。但是如果系統(tǒng)能夠每個(gè)端口都被賦予一個(gè)具體的地址值，那么在系統(tǒng)中就能輕易的找到任何一個(gè)外設(shè)。系統(tǒng)在管理的時(shí)候，不管是內(nèi)存還是外設(shè)都需要分配一個(gè)內(nèi)存地址。對(duì)于一個(gè)32bit的系統(tǒng)來(lái)講，可尋址的范圍為2^32=4G的地址空間。

既然說(shuō)到地址空間，就要明確地址空間的種類(lèi)：物理地址、總線(xiàn)地址、虛擬地址。

（1）物理地址

CPU地址總線(xiàn)傳來(lái)的地址，由硬件電路控制其具體含義。物理地址中很大一部分是留給內(nèi)存條中內(nèi)存的，但也常被映射到其他存儲(chǔ)器上（如顯存、bios等）。在程序指令中的虛擬地址經(jīng)過(guò)段映射和頁(yè)面映射后，就生成了物理地址，這個(gè)物理地址被放到CPU的地址線(xiàn)上。

（2）總線(xiàn)地址

總線(xiàn)的地址線(xiàn)或在地址周期上產(chǎn)生的信號(hào)。外設(shè)使用的是地址總線(xiàn)，cpu使用的是物理地址。

物理地址和總線(xiàn)地址之間的關(guān)系有系統(tǒng)設(shè)計(jì)決定的。在X86平臺(tái)上，物理地址就是總線(xiàn)地址，這是因?yàn)樗鼈児蚕硐嗤牡刂房臻g。在其他平臺(tái)上，可能需要轉(zhuǎn)換/映射。

（3）虛擬地址

現(xiàn)代操作系統(tǒng)普遍采用虛擬內(nèi)存管理（virtual memory management）機(jī)制，這需要MMU的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果處理器沒(méi)有MMU，或者有MMU但沒(méi)有啟用，CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內(nèi)存地址將直接傳到芯片引腳上，被內(nèi)存芯片（物理內(nèi)存）接收，這成為物理地址，如果處理器啟用了MMU,CPU執(zhí)行單元發(fā)出的內(nèi)存地址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱(chēng)為虛擬地址，而MMU將這個(gè)地址翻譯成另一個(gè)地址發(fā)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(jìn)程的4GB內(nèi)存分為用戶(hù)空間和內(nèi)核空間。用戶(hù)空間分布為1~3GB剩下的1GB為內(nèi)核空間。程序員只能使用虛擬地址。系統(tǒng)中每個(gè)進(jìn)程有各自的私有用戶(hù)控件（0~3GB），這個(gè)空間對(duì)系統(tǒng)中的其他進(jìn)程是不可見(jiàn)的。

編址方式

外設(shè)都是通過(guò)讀寫(xiě)設(shè)備上的寄存器來(lái)進(jìn)行工作的，外設(shè)寄存器也稱(chēng)為“IO端口”，而IO端口的編址方式有兩種，獨(dú)立編址和統(tǒng)一編址。

統(tǒng)一編址：外設(shè)接口中的IO寄存器（即IO端口）與主存單元一樣看待，每個(gè)端口占用一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址，將主存的一部分劃出來(lái)用作IO地址空間。?統(tǒng)一編址的原理是將IO的端口地址存儲(chǔ)器尋址的地址空間范圍之內(nèi)，此方法也成為存儲(chǔ)器映像編址。CPU訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)端口的操作與訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的操作相同，也使用訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的指令。獨(dú)立編址是為端口地址單獨(dú)開(kāi)辟一部分地址空間，其訪(fǎng)問(wèn)指令也需要使用單獨(dú)的指令（不同于內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)指令）。

根據(jù)CPU體系結(jié)構(gòu)的不同，CPU對(duì)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(shè)專(zhuān)門(mén)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)單獨(dú)的地址空間，稱(chēng)為"I/O地址空間"或者"I/O端口空間"，CPU通過(guò)專(zhuān)門(mén)的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這一空間中的地址單元。
（2）內(nèi)存映射方式（Memory-mapped）
RISC指令系統(tǒng)的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只實(shí)現(xiàn)一個(gè)物理地址空間，外設(shè)I/O端口成為內(nèi)存的一部分。此時(shí)，CPU可以象訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)內(nèi)存單元那樣訪(fǎng)問(wèn)外設(shè)I/O端口，而不需要設(shè)立專(zhuān)門(mén)的外設(shè)I/O指令。
但是，這兩者在硬件實(shí)現(xiàn)上的差異對(duì)于軟件來(lái)說(shuō)是完全透明的，驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)人員可以將內(nèi)存映射方式的I/O端口和外設(shè)內(nèi)存統(tǒng)一看作是"I/O內(nèi)存"資源。
一般來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，外設(shè)的I/O內(nèi)存資源的物理地址是已知的，由硬件的設(shè)計(jì)決定。但是CPU通常并沒(méi)有為這些已知的外設(shè)I/O內(nèi)存資源的物理地址預(yù)定義虛擬地址范圍，驅(qū)動(dòng)程序并不能直接通過(guò)物理地址訪(fǎng)問(wèn)I/O內(nèi)存資源，而必須將它們映射到核心虛地址空間內(nèi)（通過(guò)頁(yè)表），然后才能根據(jù)映射所得到的核心虛地址范圍，通過(guò)訪(fǎng)內(nèi)指令訪(fǎng)問(wèn)這些I/O內(nèi)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(quán)限有關(guān)的標(biāo)志；?
功能： 將一個(gè)IO地址空間映射到內(nèi)核的虛擬地址空間上去，便于訪(fǎng)問(wèn)；?
實(shí)現(xiàn)：對(duì)要映射的IO地址空間進(jìn)行判斷，低PCI/ISA地址不需要重新映射，也不允許用戶(hù)將IO地址空間映射到正在使用的RAM中，最后申請(qǐng)一 個(gè) vm_area_struct結(jié)構(gòu)，調(diào)用remap_area_pages填寫(xiě)頁(yè)表，若填寫(xiě)過(guò)程不成功則釋放申請(qǐng)的vm_area_struct空 間；
意義：
比如isa設(shè)備和pci設(shè)備，或者是fb，硬件的跳線(xiàn)或者是物理連接方式?jīng)Q定了硬件上的內(nèi)存影射到的cpu物理地址。?
在內(nèi)核訪(fǎng)問(wèn)這些地址必須分配給這段內(nèi)存以虛擬地址,這正是__ioremap的意義所在 ,需要注意的是,物理內(nèi)存已經(jīng)"存在"了,無(wú)需alloc page給這段地址了.?

為了使軟件訪(fǎng)問(wèn)I/O內(nèi)存,必須為設(shè)備分配虛擬地址.這就是ioremap的工作.這個(gè)函數(shù)專(zhuān)門(mén)用來(lái)為I/O內(nèi)存區(qū)域分配虛擬地址(空間).對(duì)于直接映射的I/O地址ioremap不做任何事情。有了ioremap(和iounmap),設(shè)備就可以訪(fǎng)問(wèn)任何I/O內(nèi)存空間,不論它是否直接映射到虛擬地址空間.但是,這些地址永遠(yuǎn)不能直接使用(指物理地址),而要用readb這種函數(shù)。

使用I/O內(nèi)存首先要申請(qǐng),然后才能映射,使用I/O端口首先要申請(qǐng),或者叫請(qǐng)求,對(duì)于I/O端口的請(qǐng)求意思是讓內(nèi)核知道你要訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)端口,這樣內(nèi)核知道了以后它就不會(huì)再讓別人也訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)端口了.畢竟這個(gè)世界僧多粥少啊.申請(qǐng)I/O端口的函數(shù)是request_region, 申請(qǐng)I/O內(nèi)存的函數(shù)是request_mem_region。request_mem_region函數(shù)并沒(méi)有做實(shí)際性的映射工作，只是告訴內(nèi)核要使用一塊內(nèi)存地址，聲明占有，也方便內(nèi)核管理這些資源。重要的還是ioremap函數(shù)，ioremap主要是檢查傳入地址的合法性，建立頁(yè)表（包括訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限），完成物理地址到虛擬地址的轉(zhuǎn)換。

使用方法：

內(nèi)核中的使用，往往是為某個(gè)設(shè)備預(yù)留一塊內(nèi)存，當(dāng)使用的時(shí)候需要在board中定義這個(gè)設(shè)備的內(nèi)存resource。通過(guò) platform_get_resource獲得設(shè)備的起始地址后，可以對(duì)其進(jìn)行request_mem_region和ioremap等操作，以便應(yīng)用程序?qū)ζ溥M(jìn)行操作。

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