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1、对于提供了 MMU （存储管理器，辅助操作系统进行内存管理，提供虚实地址转换等硬件支持）的处理器而 言，Linux提供了复杂的存储管理系统，使得进程所能访问的内存达到4GB。进程的4GB内存空间被人为的分为两个部分-用户空间与内核空间。用户空间地址分布从0到3GB（PAGE_OFFSET，在0x86中它等于0xC0000000）, 3GB到4GB为内核空间，如下图：血*$GE：一内核空间(C de + Dat/SVick)用户空间(C u de 4 D a t =S t ack)OsOOOOOOOO内核?用戶蛭t生战址贬天极内核空间中，从3G到vmalloc_start这段地址是物理内存映射区
2、域（该区域中包含了内核镜像、物理 页框表mem_map等等），比如我们使用的VMware虚拟系统内存是160M，那么3G3G+160M这片内 存就应该映射物理内存。在物理内存映射区之后，就是vmalloc区域。对于160M的系统而言，vmalloc_start 位置应在3G+160M附近（在物理内存映射区与vmalloc_start期间还存在一个8M的gap来防止跃界）， vmalloc_end的位置接近4G（最后位置系统会保留一片128k大小的区域用于专用页面映射），如下图：苴他内核数据3 GB实际的苴他内核数据RtJ ：1T asksSp ac e内窗Tasks实际内鶴空间逻辑地址kmal
3、loc和get_free_page申请的内存位于物理内存映射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实 的物理地址只有一个固定的偏移，因此存在较简单的转换关系，virt_to_phys（）可以实现内核虚拟地址转化 为物理地址：#define _pa(x) (unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address) return _pa(address);上面转换过程是将虚拟地址减去 3G(PAGE_OFFSET=0XC000000)。与之对应的函数为phys_to
4、_virt(),将内核物理地址转化为虚拟地址:#define _va(x) (void(unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET) extern inline void * phys_to_virt(unsigned long address)return _va(address);virt_to_phys()和 phys_to_virt()都定义在 includeasm-i386io.h 中。而vmalloc申请的内存则位于vmalloc_startvmalloc_end之间，与物理地址没有简单的转换关系, 虽然在逻辑上它们也是连续的,但是在物理上它们不要求连续。我们用下面
5、的程序来演示 kmalloc、get_free_page 和 vmalloc 的区别#include #include #include MODULE_LICENSE(GPL);unsigned char *pagemem;unsigned char *kmallocmem;unsigned char *vmallocmem;int _init mem_module_init(void)最好每次内存申请都检查申请是否成功下面这段仅仅作为演示的代码没有检查pagemem = (unsigned char*)get_free_page(O);printk(pagemem addr=%x, page
6、mem);kmallocmem = (unsigned char*)kmalloc(100, 0);printk(kmallocmem addr=%x, kmallocmem);vmallocmem = (unsigned char*)vmalloc(1000000);printk(vmallocmem addr=%x, vmallocmem);return 0;void _exit mem_module_exit(void)free_page(pagemem);kfree(kmallocmem); vfree(vmallocmem);module _i nit(mem_module_init
7、); module_exit(mem_module_exit);我们的系统上有160MB的内存空间，运行一次上述程序，发现pagemem的地址在0xc7997000 (约 3G+121M)、kmallocmem 地址在 0xc9bc1380 (约 3G+155M)、vmallocmem 的地址在 0xcabeb000 (约 3G+171M)处，符合前文所述的内存布局。接下来，我们讨论Linux设备驱动究竟怎样访问外设的I/O端口(寄存器)。几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的，通常包括控制寄存器、状态寄存器和数据寄 存器三大类，外设的寄存器通常被连续地编址。根据CPU体系结构的不同
8、，CPU对IO端口的编址方式有 两种：(1)I/O 映射方式(l/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
9、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。Linux在io.h头文件中声明了函数ioremap(),用来将I/O内存资源的物理地址映射到核心虚地址空间(3GB4GB)中，原型如下：void * ioremap(unsigned l
10、ong phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);iounmap函数用于取消ioremap ()所做的映射，原型如下：void iounmap(void * addr);这两个函数都是实现在mm/ioremap.c文件中。在将I/O内存资源的物理地址映射成核心虚地址后，理论上讲我们就可以象读写RAM那样直接读写I/O 内存资源了。为了保证驱动程序的跨平台的可移植性，我们应该使用Linux中特定的函数来访问I/O内存 资源，而不应该通过指向核心虚地址的指针来访问。如在x86平台上，读写I/O的函数如下所示：#define readb(
11、addr)(volatile unsigned char *) _io_virt(addr)#define readw(addr) (*(volatile unsigned short *) _io_virt(addr)#define readl(addr) (*(volatile unsigned int *) _io_virt(addr)#define writeb(b,addr) (*(volatile unsigned char *) _io_virt(addr) = (b)#define writew(b,addr) (*(volatile unsigned short *) _io
12、_virt(addr) = (b)#define writel(b,addr) (*(volatile unsigned int *) _io_virt(addr) = (b)#define memset_io(a,b,c) memset(_io_virt(a),(b),(c)#define memcpy_fromio(a,b,c) memcpy(a),_io_virt(b),(c)#define memcpy_toio(a,b,c) memcpy(_io_virt(a),(b),(c)最后，我们要特别强调驱动程序中 mmap 函数的实现方法。用 mmap 映射一个设备，意味着使用户空 间的一
13、段地址关联到设备内存上，这使得只要程序在分配的地址范围内进行读取或者写入，实际上就是对 设备的访问。笔者在Linux源代码中进行包含ioremap文本的搜索，发现真正出现的ioremap的地方相当少。所以 笔者追根索源地寻找I/O操作的物理地址转换到虚拟地址的真实所在，发现Linux有替代ioremap的语句， 但是这个转换过程却是不可或缺的。譬如我们再次摘取S3C2410这个ARM芯片RTC (实时钟)驱动中的一小段：static void get_rtc_time(int alm, struct rtc_time *rtc_tm)spin_lock_irq (&rtc_lock);if (
14、alm = 1) rtc_tm-tm_year = (unsigned char)ALMYEAR & Msk_RTCYEAR; rtc_tm-tm_mon = (unsigned char)ALMMON & Msk_RTCMON; rtc_tm-tm_mday = (unsigned char)ALMDAY & Msk_RTCDAY; rtc_tm-tm_hour = (unsigned char)ALMHOUR & Msk_RTCHOUR; rtc_tm-tm_min = (unsigned char)ALMMIN & Msk_RTCMIN; rtc_tm-tm_sec = (unsigne
15、d char)ALMSEC & Msk_RTCSEC;else read_rtc_bcd_time: rtc_tm-tm_year = (unsigned char)BCDYEAR & Msk_RTCYEAR; rtc_tm-tm_mon = (unsigned char)BCDMON & Msk_RTCMON; rtc_tm-tm_mday = (unsigned char)BCDDAY & Msk_RTCDAY; rtc_tm-tm_hour = (unsigned char)BCDHOUR & Msk_RTCHOUR;rtc_tm-tm_min = (unsigned char)BCDMIN & Msk_RTCMIN; rtc_tm-tm_sec = (unsigned char)BCDSEC & Msk_RTCSEC;if (rtc_tm-tm_sec = 0) /* Re-read all BCD registers in case of BCDSEC is 0.
