2019年01月17日 | 2416开发记录十二：ioremap

对于一个系统来讲，会有很多的外设，那么这些外设的管理都是通过CPU完成。那么CPU在这个过程中是如何找到外设的呢？

尽管在一个系统中会有诸多的外设，在每个外设的接口电路中会有多个端口。但是如果系统能够每个端口都被赋予一个具体的地址值，那么在系统中就能轻易的找到任何一个外设。系统在管理的时候，不管是内存还是外设都需要分配一个内存地址。对于一个32bit的系统来讲，可寻址的范围为2^32=4G的地址空间。

既然说到地址空间，就要明确地址空间的种类：物理地址、总线地址、虚拟地址。

（1）物理地址

CPU地址总线传来的地址，由硬件电路控制其具体含义。物理地址中很大一部分是留给内存条中内存的，但也常被映射到其他存储器上（如显存、bios等）。在程序指令中的虚拟地址经过段映射和页面映射后，就生成了物理地址，这个物理地址被放到CPU的地址线上。

（2）总线地址

总线的地址线或在地址周期上产生的信号。外设使用的是地址总线，cpu使用的是物理地址。

物理地址和总线地址之间的关系有系统设计决定的。在X86平台上，物理地址就是总线地址，这是因为它们共享相同的地址空间。在其他平台上，可能需要转换/映射。

（3）虚拟地址

现代操作系统普遍采用虚拟内存管理（virtual memory management）机制，这需要MMU的支持。MMU通常是CPU的一部分，如果处理器没有MMU，或者有MMU但没有启用，CPU执行单元发出的内存地址将直接传到芯片引脚上，被内存芯片（物理内存）接收，这成为物理地址，如果处理器启用了MMU,CPU执行单元发出的内存地址将被MMU截获，从CPU到MMU的地址称为虚拟地址，而MMU将这个地址翻译成另一个地址发到CPU芯片的外部地址引脚上，也就是讲虚拟地址映射成物理地址。

 linux中，进程的4GB内存分为用户空间和内核空间。用户空间分布为1~3GB剩下的1GB为内核空间。程序员只能使用虚拟地址。系统中每个进程有各自的私有用户控件（0~3GB），这个空间对系统中的其他进程是不可见的。

编址方式

外设都是通过读写设备上的寄存器来进行工作的，外设寄存器也称为“IO端口”，而IO端口的编址方式有两种，独立编址和统一编址。

统一编址：外设接口中的IO寄存器（即IO端口）与主存单元一样看待，每个端口占用一个存储单元的地址，将主存的一部分划出来用作IO地址空间。 统一编址的原理是将IO的端口地址存储器寻址的地址空间范围之内，此方法也成为存储器映像编址。CPU访问一个端口的操作与访问内存的操作相同，也使用访问内存的指令。独立编址是为端口地址单独开辟一部分地址空间，其访问指令也需要使用单独的指令（不同于内存访问指令）。

根据CPU体系结构的不同，CPU对IO端口的编址方式有两种：

　　（1）I/O映射方式（I/O-mapped） 

　　典型地，如X86处理器为外设专门实现了一个单独的地址空间，称为”I/O地址空间”或者”I/O端口空间”，CPU通过专门的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）来访问这一空间中的地址单元。 

　　（2）内存映射方式（Memory-mapped） 

　　RISC指令系统的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只实现一个物理地址空间，外设I/O端口成为内存的一部分。此时，CPU可以象访问一个内存单元那样访问外设I/O端口，而不需要设立专门的外设I/O指令。 

　　但是，这两者在硬件实现上的差异对于软件来说是完全透明的，驱动程序开发人员可以将内存映射方式的I/O端口和外设内存统一看作是”I/O内存”资源。 

一般来说，在系统运行时，外设的I/O内存资源的物理地址是已知的，由硬件的设计决定。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围，驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源，而必须将它们映射到核心虚地址空间内（通过页表），然后才能根据映射所得到的核心虚地址范围，通过访内指令访问这些I/O内存资源。

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：要映射的空间的大小； 

flags：要映射的IO空间的和权限有关的标志； 

功能： 将一个IO地址空间映射到内核的虚拟地址空间上去，便于访问； 

实现：对要映射的IO地址空间进行判断，低PCI/ISA地址不需要重新映射，也不允许用户将IO地址空间映射到正在使用的RAM中，最后申请一 个 vm_area_struct结构，调用remap_area_pages填写页表，若填写过程不成功则释放申请的vm_area_struct空 间； 

意义： 比如isa设备和pci设备，或者是fb，硬件的跳线或者是物理连接方式决定了硬件上的内存影射到的cpu物理地址。 

在内核访问这些地址必须分配给这段内存以虚拟地址,这正是__ioremap的意义所在 ,需要注意的是,物理内存已经”存在”了,无需alloc page给这段地址了.

为了使软件访问I/O内存,必须为设备分配虚拟地址.这就是ioremap的工作.这个函数专门用来为I/O内存区域分配虚拟地址(空间).对于直接映射的I/O地址ioremap不做任何事情。有了ioremap(和iounmap),设备就可以访问任何I/O内存空间,不论它是否直接映射到虚拟地址空间.但是,这些地址永远不能直接使用(指物理地址),而要用readb这种函数。

使用I/O内存首先要申请,然后才能映射,使用I/O端口首先要申请,或者叫请求,对于I/O端口的请求意思是让内核知道你要访问这个端口,这样内核知道了以后它就不会再让别人也访问这个端口了.毕竟这个世界僧多粥少啊.申请I/O端口的函数是request_region, 申请I/O内存的函数是request_mem_region。request_mem_region函数并没有做实际性的映射工作，只是告诉内核要使用一块内存地址，声明占有，也方便内核管理这些资源。重要的还是ioremap函数，ioremap主要是检查传入地址的合法性，建立页表（包括访问权限），完成物理地址到虚拟地址的转换。

使用方法：

内核中的使用，往往是为某个设备预留一块内存，当使用的时候需要在board中定义这个设备的内存resource。通过 platform_get_resource获得设备的起始地址后，可以对其进行request_mem_region和ioremap等操作，以便应用程序对其进行操作。