實(shí)現(xiàn)linux系統(tǒng)內(nèi)存的分配 讀寫 釋放功能

剛剛我們實(shí)現(xiàn)了linux系統(tǒng)內(nèi)存的分配，讀寫，釋放功能，下面，我們一鼓作氣將IO端口映射及IO內(nèi)存映射搞定，加油！

（一）地址的概念

1）物理地址：CPU地址總線傳來的地址，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)存條中的內(nèi)存的，但也常被映射到其他存儲器上（如顯存、BIOS等）。在程序指令中的虛擬地址經(jīng)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。

????????物理地址空間，一部分給物理RAM（內(nèi)存）用，一部分給總線用，這是由硬件設(shè)計(jì)來決定的，因此在32 bits地址線的x86處理器中，物理地址空間是2的32次方，即4GB，但物理RAM一般不能上到4GB，因?yàn)檫€有一部分要給總線用（總線上還掛著別的許多設(shè)備）。在PC機(jī)中，一般是把低端物理地址給RAM用，高端物理地址給總線用。

2）總線地址：總線的地址線或在地址周期上產(chǎn)生的信號。外設(shè)使用的是總線地址，CPU使用的是物理地址。

????????物理地址與總線地址之間的關(guān)系由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定的。在x86平臺上，物理地址就是總線地址，這是因?yàn)樗鼈児蚕硐嗤牡刂房臻g——這句話有點(diǎn)難理解，詳見下面的"獨(dú)立編址"。在其他平臺上，可能需要轉(zhuǎn)換/映射。比如：CPU需要訪問物理地址是0xfa的單元，那么在x86平臺上，會產(chǎn)生一個PCI總線上對0xfa地址的訪問。因?yàn)槲锢淼刂泛涂偩€地址相同，所以憑眼睛看是不能確定這個地址是用在哪兒的，它或者在內(nèi)存中，或者是某個卡上的存儲單元，甚至可能這個地址上沒有對應(yīng)的存儲器。

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（Memory Management Unit）的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果處理器沒有MMU，或者有MMU但沒有啟用，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，這稱為物理地址（Physical Address），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的地址稱為虛擬地址（Virtual Address），而MMU將這個地址翻譯成另一個地址發(fā)到CPU芯片的外部地址引腳上，也就是將虛擬地址映射成物理地址。

??????? Linux中，進(jìn)程的4GB（虛擬）內(nèi)存分為用戶空間、內(nèi)核空間。用戶空間分布為0~3GB（即PAGE_OFFSET，在0X86中它等于0xC0），剩下的1G為內(nèi)核空間。程序員只能使用虛擬地址。系統(tǒng)中每個進(jìn)程有各自的私有用戶空間（0～3G），這個空間對系統(tǒng)中的其他進(jìn)程是不可見的。

??????? CPU發(fā)出取指令請求時(shí)的地址是當(dāng)前上下文的虛擬地址，MMU再從頁表中找到這個虛擬地址的物理地址，完成取指。同樣讀取數(shù)據(jù)的也是虛擬地址，比如mov ax, var.?編譯時(shí)var就是一個虛擬地址，也是通過MMU從也表中來找到物理地址，再產(chǎn)生總線時(shí)序，完成取數(shù)據(jù)的。

（二）編址方式

1）外設(shè)都是通過讀寫設(shè)備上的寄存器來進(jìn)行的，外設(shè)寄存器也稱為"I/O端口"，而IO端口有兩種編址方式：獨(dú)立編址和統(tǒng)一編制。

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，每個端口占用一個存儲單元的地址，將主存的一部分劃出來用作IO地址空間，如，在?PDP-11中，把最高的4K主存作為IO設(shè)備寄存器地址。端口占用了存儲器的地址空間，使存儲量容量減小。
????????統(tǒng)一編址也稱為"I/O內(nèi)存"方式，外設(shè)寄存器位于"內(nèi)存空間"（很多外設(shè)有自己的內(nèi)存、緩沖區(qū)，外設(shè)的寄存器和內(nèi)存統(tǒng)稱"I/O空間"）。
????????如，Samsung的S3C2440，是32位ARM處理器，它的4GB地址空間被外設(shè)、RAM等瓜分：

0x8 1??? LED 8*8點(diǎn)陣的地址

0x4800 0 ~ 0x6 0? SFR（特殊暫存器）地址空間

0x3800 1002???鍵盤地址

0x3 0 ~ 0x3400 0? SDRAM空間?

0x2 0020 ~ 0x2 002e? IDE

0x1900 0300?? CS8900

獨(dú)立編址（單獨(dú)編址）：IO地址與存儲地址分開獨(dú)立編址，I/0端口地址不占用存儲空間的地址范圍，這樣，在系統(tǒng)中就存在了另一種與存儲地址無關(guān)的IO地址，CPU也必須具有專用與輸入輸出操作的IO指令（IN、OUT等）和控制邏輯。獨(dú)立編址下，地址總線上過來一個地址，設(shè)備不知道是給IO端口的、還是給存儲器的，于是處理器通過MEMR/MEMW和IOR/IOW兩組控制信號來實(shí)現(xiàn)對I/O端口和存儲器的不同尋址。如，intel 80x86就采用單獨(dú)編址，CPU內(nèi)存和I/O是一起編址的，就是說內(nèi)存一部分的地址和I/O地址是重疊的。

獨(dú)立編址也稱為"I/O端口"方式，外設(shè)寄存器位于"I/O（地址）空間"。

?對于x86架構(gòu)來說，通過IN/OUT指令訪問。PC架構(gòu)一共有65536個8bit的I/O端口，組成64K個I/O地址空間，編號從0~0xFFFF，有16位，80x86用低16位地址線A0-A15來尋址。連續(xù)兩個8bit的端口可以組成一個16bit的端口，連續(xù)4個組成一個?32bit的端口。I/O地址空間和CPU的物理地址空間是兩個不同的概念，例如I/O地址空間為64K，一個32bit的CPU物理地址空間是4G。如，在Intel 8086+Redhat9.0?下用"more /proc/ioports"可看到：

0-001f : dma1

0020-003f : pic1

0040-005f : timer

0060-006f : keyboard

0070-007f : rtc

0080-008f : dma page reg

00a0-00bf : pic2

00c0-00df : dma2

00f0-00ff : fpu

0170-0177 : ide1

不過Intel x86平臺普通使用了名為內(nèi)存映射（MMIO）的技術(shù)，該技術(shù)是PCI規(guī)范的一部分，IO設(shè)備端口被映射到內(nèi)存空間，映射后，CPU訪問IO端口就如同訪問內(nèi)存一樣?？碔ntel TA 719文檔給出的x86/x64系統(tǒng)典型內(nèi)存地址分配表：

BIOS 1M

本地APIC 4K

芯片組保留 2M

IO APIC 4K

PCI設(shè)備 256M

PCI Express設(shè)備 256M

PCI設(shè)備（可選） 256M

顯示幀緩存 16M

TSEG 1M

對于某一既定的系統(tǒng)，它要么是獨(dú)立編址、要么是統(tǒng)一編址，具體采用哪一種則取決于CPU的體系結(jié)構(gòu)。 如，PowerPC、m68k等采用統(tǒng)一編址，而X86等則采用獨(dú)立編址，存在IO空間的概念。目前，大多數(shù)嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等并 不提供I/O空間，僅有內(nèi)存空間，可直接用地址、指針訪問。但對于Linux內(nèi)核而言，它可能用于不同的CPU，所以它必須都要考慮這兩種方式，于是它采 用一種新的方法，將基于I/O映射方式的或內(nèi)存映射方式的I/O端口通稱為"I/O區(qū)域"（I/O region），不論你采用哪種方式，都要先申請IO區(qū)域：request_resource()，結(jié)束時(shí)釋放 它：release_resource()。

2）對外設(shè)的訪問

1、訪問I/O內(nèi)存的流程是：request_mem_region()?->?ioremap()?->?ioread8()/iowrite8()?->?iounmap()?->release_mem_region()?。
????????前面說過，IO內(nèi)存是統(tǒng)一編址下的概念，對于統(tǒng)一編址，IO地址空間是物理主存的一部分，對于編程而言，我們只能操作虛擬內(nèi)存，所以，訪問的第一步就是要把設(shè)備所處的物理地址映射到虛擬地址，Linux2.6下用ioremap():
??????? void *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size);
然后，我們可以直接通過指針來訪問這些地址，但是也可以用Linux內(nèi)核的一組函數(shù)來讀寫：
ioread8(), iowrite16(), ioread8_rep(), iowrite8_rep()......

2、訪問I/O端口

????????訪問IO端口有2種途徑：I/O映射方式（I/O－mapped）、內(nèi)存映射方式（Memory－mapped）。前一種途徑不映射到內(nèi)存空間，直接使用?intb()/outb()之類的函數(shù)來讀寫IO端口；后一種MMIO是先把IO端口映射到IO內(nèi)存（"內(nèi)存空間"），再使用訪問IO內(nèi)存的函數(shù)來訪問?IO端口。

????????void ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);

? ? ? ? 通過這個函數(shù)，可以把port開始的count個連續(xù)的IO端口映射為一段"內(nèi)存空間"，然后就可以在其返回的地址是像訪問IO內(nèi)存一樣訪問這些IO端口。

（三）Linux下的IO端口和IO內(nèi)存

CPU對外設(shè)端口物理地址的編址方式有兩種：一種是IO映射方式，另一種是內(nèi)存映射方式。?

Linux將基于IO映射方式的和內(nèi)存映射方式的IO端口統(tǒng)稱為IO區(qū)域（IO region）。

IO region仍然是一種IO資源，因此它仍然可以用resource結(jié)構(gòu)類型來描述。

Linux管理IO region：

1) request_region()

把一個給定區(qū)間的IO端口分配給一個IO設(shè)備。

2) check_region()

檢查一個給定區(qū)間的IO端口是否空閑，或者其中一些是否已經(jīng)分配給某個IO設(shè)備。

3) release_region()

釋放以前分配給一個IO設(shè)備的給定區(qū)間的IO端口。

Linux中可以通過以下輔助函數(shù)來訪問IO端口：

inb(),inw(),inl(),outb(),outw(),outl()

"b""w""l"分別代表8位，16位，32位。

對IO內(nèi)存資源的訪問

1) request_mem_region()

請求分配指定的IO內(nèi)存資源。

2) check_mem_region()

檢查指定的IO內(nèi)存資源是否已被占用。

3) release_mem_region()

釋放指定的IO內(nèi)存資源。

其中傳給函數(shù)的start address參數(shù)是內(nèi)存區(qū)的物理地址（以上函數(shù)參數(shù)表已省略）。

驅(qū)動開發(fā)人員可以將內(nèi)存映射方式的IO端口和外設(shè)內(nèi)存統(tǒng)一看作是IO內(nèi)存資源。

ioremap()用來將IO資源的物理地址映射到內(nèi)核虛地址空間（3GB - 4GB）中，參數(shù)addr是指向內(nèi)核虛地址的指針。

Linux中可以通過以下輔助函數(shù)來訪問IO內(nèi)存資源：

readb(),readw(),readl(),writeb(),writew(),writel()。

Linux在kernel/resource.c文件中定義了全局變量ioport_resource和iomem_resource，來分別描述基于IO映射方式的整個IO端口空間和基于內(nèi)存映射方式的IO內(nèi)存資源空間（包括IO端口和外設(shè)內(nèi)存）。

1）關(guān)于IO與內(nèi)存空間：

????在X86處理器中存在著I/O空間的概念，I/O空間是相對于內(nèi)存空間而言的，它通過特定的指令in、out來訪問。端口號標(biāo)識了外設(shè)的寄存器地址。Intel語法的in、out指令格式為：

??? IN?累加器, {端口號│DX}

??? OUT {端口號│DX},累加器

????目前，大多數(shù)嵌入式微控制器如ARM、PowerPC等中并不提供I/O空間，而僅存在內(nèi)存空間。內(nèi)存空間可以直接通過地址、指針來訪問，程序和程序運(yùn)行中使用的變量和其他數(shù)據(jù)都存在于內(nèi)存空間中。?

????即便是在X86處理器中，雖然提供了I/O空間，如果由我們自己設(shè)計(jì)電路板，外設(shè)仍然可以只掛接在內(nèi)存空間。此時(shí)，CPU可以像訪問一個內(nèi)存單元那樣訪問外設(shè)I/O端口，而不需要設(shè)立專門的I/O指令。因此，內(nèi)存空間是必須的，而I/O空間是可選的。

（2）inb和outb：

在Linux設(shè)備驅(qū)動中，宜使用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)來訪問定位于I/O空間的端口，這些函數(shù)包括：

·?讀寫字節(jié)端口（8位寬）

unsigned inb(unsigned port);?

void outb(unsigned char byte, unsigned port);?

·?讀寫字端口（16位寬）

unsigned inw(unsigned port);?

void outw(unsigned short word, unsigned port);?

·?讀寫長字端口（32位寬）

unsigned inl(unsigned port);?

void outl(unsigned longword, unsigned port);?

·?讀寫一串字節(jié)

void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);?

void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);

· insb()從端口port開始讀count個字節(jié)端口，并將讀取結(jié)果寫入addr指向的內(nèi)存；outsb()將addr指向的內(nèi)存的count個字節(jié)連續(xù)地寫入port開始的端口。

·?讀寫一串字

void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);?

void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count);?

·?讀寫一串長字

void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);?

void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);?

上述各函數(shù)中I/O端口號port的類型高度依賴于具體的硬件平臺，因此，只是寫出了unsigned。

以上知識點(diǎn)摘自：?

這兒我不獻(xiàn)丑了，因?yàn)樯厦娴囊呀?jīng)寫的很好了。

（四）Linux下的IO端口和IO內(nèi)存

由于我本人對IMX257的IO內(nèi)存分配不太了解，曾經(jīng)詢問過很多周立功公司那些所謂的技術(shù)人員，每個人回答的答案都是，"你好,我們提供的資料就只是官網(wǎng)上的光盤資料了哦"，每次碰到這種話，我真的很無語，我只能說，好吧，只能說是我智商太低了，那些資料太高深了。

好了，廢話也不多說了，這次，我就針對S3C24XX的gpio驅(qū)動程序來講解io端口的分配。

1. 定義一些寄存器（數(shù)據(jù)寄存器，配置寄存器）

上圖中，gpio_va就是我們GPIO的基址，是用來確定GPFCON配置寄存器和GPFDAT數(shù)據(jù)寄存器的指針地址的

，其初始化我們在init函數(shù)中會講解。

2.在init函數(shù)中確定gpio基址

前面我們寄存器的正常作用的前提就是gpio_va這個基址，所以我們在init函數(shù)中分配IO端口

如圖所示，將gpio的地址0x56這個io端口分配為gpio_va，這樣也就確定了，前面的配置寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。

3.在open函數(shù)中配置GPIO

和單片機(jī)程序一樣，使用GPIO都要先配置GPIO，原理一樣：

給GPIO引腳賦初值，以后對GPIO引腳的操作，直接用這個寄存器賦值就可以了

4.在exit函數(shù)中釋放IO端口

使用完GPIO引腳后，要將我們申請的IO端口釋放掉。

總結(jié)一下，很簡單，申請，配置，釋放

申請IO端口?à?配置GPIO端口為輸出（入）?à?給數(shù)據(jù)寄存器賦值（讀?。?à?釋放IO端口