ioremap和mmap作為linux內(nèi)存的關鍵操作

對于一個系統(tǒng)來講，會有很多的外設，那么這些外設的管理都是通過CPU完成。那么CPU在這個過程中是如何找到外設的呢？

盡管在一個系統(tǒng)中會有諸多的外設，在每個外設的接口電路中會有多個端口。但是如果系統(tǒng)能夠每個端口都被賦予一個具體的地址值，那么在系統(tǒng)中就能輕易的找到任何一個外設。系統(tǒng)在管理的時候，不管是內(nèi)存還是外設都需要分配一個內(nèi)存地址。對于一個32bit的系統(tǒng)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，就要明確地址空間的種類：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。

（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(tǒng)設計決定的。在X86平臺上，物理地址就是總線地址，這是因為它們共享相同的地址空間。在其他平臺上，可能需要轉換/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）機制，這需要MMU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的地址稱為虛擬地址，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，也就是講虛擬地址映射成物理地址。

linux中，進程的4GB內(nèi)存分為用戶空間和內(nèi)核空間。用戶空間分布為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)中每個進程有各自的私有用戶控件（0~3GB），這個空間對系統(tǒng)中的其他進程是不可見的。

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“IO端口”，而IO端口的編址方式有兩種，獨立編址和統(tǒng)一編址。

統(tǒng)一編址：外設接口中的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。?統(tǒng)一編址的原理是將IO的端口地址存儲器尋址的地址空間范圍之內(nèi)，此方法也成為存儲器映像編址。CPU訪問一個端口的操作與訪問內(nèi)存的操作相同，也使用訪問內(nèi)存的指令。獨立編址是為端口地址單獨開辟一部分地址空間，其訪問指令也需要使用單獨的指令（不同于內(nèi)存訪問指令）。

根據(jù)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(xiàn)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(nèi)存映射方式（Memory-mapped）
RISC指令系統(tǒng)的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只實現(xiàn)一個物理地址空間，外設I/O端口成為內(nèi)存的一部分。此時，CPU可以象訪問一個內(nèi)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(xiàn)上的差異對于軟件來說是完全透明的，驅動程序開發(fā)人員可以將內(nèi)存映射方式的I/O端口和外設內(nèi)存統(tǒng)一看作是"I/O內(nèi)存"資源。
一般來說，在系統(tǒng)運行時，外設的I/O內(nèi)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(nèi)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(nèi)存資源，而必須將它們映射到核心虛地址空間內(nèi)（通過頁表），然后才能根據(jù)映射所得到的核心虛地址范圍，通過訪內(nèi)指令訪問這些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??；?
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(nèi)核的虛擬地址空間上去，便于訪問；?
實現(xiàn)：對要映射的IO地址空間進行判斷，低PCI/ISA地址不需要重新映射，也不允許用戶將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(diào)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：
比如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?jīng)Q定了硬件上的內(nèi)存影射到的cpu物理地址。?
在內(nèi)核訪問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,無需alloc page給這段地址了.?

為了使軟件訪問I/O內(nèi)存,必須為設備分配虛擬地址.這就是ioremap的工作.這個函數(shù)專門用來為I/O內(nèi)存區(qū)域分配虛擬地址(空間).對于直接映射的I/O地址ioremap不做任何事情。有了ioremap(和iounmap),設備就可以訪問任何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,然后才能映射,使用I/O端口首先要申請,或者叫請求,對于I/O端口的請求意思是讓內(nèi)核知道你要訪問這個端口,這樣內(nèi)核知道了以后它就不會再讓別人也訪問這個端口了.畢竟這個世界僧多粥少啊.申請I/O端口的函數(shù)是request_region, 申請I/O內(nèi)存的函數(shù)是request_mem_region。request_mem_region函數(shù)并沒有做實際性的映射工作，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，建立頁表（包括訪問權限），完成物理地址到虛擬地址的轉換。

使用方法：

內(nèi)核中的使用，往往是為某個設備預留一塊內(nèi)存，當使用的時候需要在board中定義這個設備的內(nèi)存resource。通過 platform_get_resource獲得設備的起始地址后，可以對其進行request_mem_region和ioremap等操作，以便應用程序對其進行操作。

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