驱动程序学习（七）内存与IO操作

来源：互联网发布：怎么查淘宝店铺排名编辑：程序博客网时间：2024/06/06 03:19

提到内存，我们不得不说一个概念那就是

用户空间和内核空间的概念。

用户空间主要针对于应用程序的内存申请，栈的设置，

而内核空间呢，我们主要看到的就是驱动程序的地址映射。

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。

用户空间的地址是从0 到3GB 内核空间的地址是3GB到4GB。而MMU也就是存储管理器的存在

使得每一个应用程序都可以访问0 到3GB的内存空间。

至此，我们并不深入讨论linux的内存管理方式。

关于申请内存的几个函数(malloc是应用程序中用来申请内存的函数)

kmalloc()

　void * kmalloc (size_t size, int flags);

size 要分配内存的大小. 以字节为单位.

flags 要分配内存的类型

返回值是我们申请的内存首地址

vmalloc()

void * kmalloc (size_t size, int flags);

size 要分配内存的大小. 以字节为单位

flags 要分配内存的类型.

主要的标志包括:
GFP_KERNEL：最常用的标志，意思是这个分配代表运行在内核空间的进程进行。内核正常分配内存。

当空闲内存较少时，可能进入休眠来等待一个页面。当前进程休眠时，内核会采取适当的动作来获取空闲页。
GFP_ATOMIC：内核通常会为原子性的分配预留一些空闲页。当当前进程不能被置为睡眠时，

应使用 GFP_ATOMIC，这样kmalloc 甚至能够使用最后一个空闲页。如果连这最后一个空闲页也不存在，

则分配返回失败。
GFP_USER：用来为用户空间分配内存页，可能睡眠。
__GFP_DMA：要求分配可用于DMA的内存。
__GFP_HIGHMEM：分配的内存可以位于高端内存。

内存分配最终总是调用__get_free_pages 来进行实际的分配，这就是 GFP_ 前缀的由来。

get_free_page()

这个函数用的较少，所以资料查到的较少，而且在我的2.6.25内核上进行实践时显示：错误：隐式声明函数‘get_free_page’

而跟它功能相同的函数__get_free_page()应用较多。

get_free_page() kmalloc

这两个函数申请的区域都位于物理内存映射区而且物理上也都是连续的。

它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，存在较简单的转换关系。

virt_to_phys()

phys_to_virt()

这两个函数分别是实现虚拟地址转换成物理地址和物理地址转换成虚拟地址的作用。

接下来我们做一个例子

chardev_malloc.c

#include<linux/module.h>
#include<linux/slab.h>
#include<linux/vmalloc.h>

MODULE_LICENSE("GPL");

unsigned char *pagemem;
unsigned char *kmallocmem;
unsigned char *vmallocmem;

int __init mem_module_init(void)
{
pagemem = (unsigned char *)__get_free_page(0);
printk(KERN_EMERG"pagemem add=%x",pagemem);

kmallocmem = (unsigned char *)kmalloc(100,0);
printk(KERN_EMERG"kmallocmem addr=%x",kmallocmem);

vmallocmem = (unsigned char *)kmalloc(100,0);
printk(KERN_EMERG"vmallocmem add=%x",vmallocmem);
return 0;
}

void __exit mem_module_exit(void)
{
free_page(pagemem);
kfree(kmallocmem);
vfree(vmallocmem);
}

module_init(mem_module_init);
module_exit(mem_module_exit);

Makefile 文件内容

KERNELDIR ?= /lib/modules/2.6.25-14.fc9.i686/build/
PWD := $(shell pwd)

#CC=$(CROSS_COMPILE)gcc

obj-m :=chardev_malloc.o

modules:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
modules_install:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install

执行后的结果是：

kernel: pagemem add=f6bb6000

<0>kmallocmem addr=efa58f80

<0>vmallocmem add=efa58c00

I/O操作

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

外设的寄存器通常是被连续编址的。根据cpu体系结构的不同，cpu对I/O端口的编址方式有两种：

I/O映射方式：

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、I/o端口空间”cpu通过专门的I/o指令来访问

这一个空间。

内存映射方式：通常是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可以像访问一个内存单元那样

访问外设I/O端口。

ioremap（）来将I/O内存资源的物理地址映射到核心虚地址空间（3GB-4GB）

iounmap（）用来取消ioremap（）所做的映射。

举一个实际的例子：取自《嵌入式linux应用开发完全手册》韦东山著

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>

#define DEVICE_NAME "leds" /* 加载模式后，执行”cat /proc/devices”命令看到的设备名称 */
#define LED_MAJOR 231 /* 主设备号 */

static struct class *leds_class;
static struct class_device *leds_class_devs[4];

/* bit0<=>D10, 0:亮, 1:灭
* bit1<=>D11, 0:亮, 1:灭
* bit2<=>D12, 0:亮, 1:灭
*/
static char leds_status = 0x0;
static DECLARE_MUTEX(leds_lock); // 定义赋值

//static int minor;
static unsigned long gpio_va;

#define GPIO_OFT(x) ((x) - 0x56000000)
#define GPFCON (*(volatile unsigned long *)(gpio_va + GPIO_OFT(0x56000050)))
#define GPFDAT (*(volatile unsigned long *)(gpio_va + GPIO_OFT(0x56000054)))

/* 应用程序对设备文件/dev/leds执行open(...)时，
* 就会调用s3c24xx_leds_open函数
*/
static int s3c24xx_leds_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
int minor = MINOR(inode->i_rdev); //MINOR(inode->i_cdev);

switch(minor)
{
case 0: /* /dev/leds */
{
// 配置3引脚为输出
//s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF4, S3C2410_GPF4_OUTP);
GPFCON &= ~(0x3<<(4*2));
GPFCON |= (1<<(4*2));

//s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF5, S3C2410_GPF5_OUTP);
GPFCON &= ~(0x3<<(5*2));
GPFCON |= (1<<(5*2));

//s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF6, S3C2410_GPF6_OUTP);
GPFCON &= ~(0x3<<(6*2));
GPFCON |= (1<<(6*2));

// 都输出0
//s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF4, 0);
GPFDAT &= ~(1<<4);

//s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF5, 0);
GPFDAT &= ~(1<<5);
//s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF6, 0);
GPFDAT &= ~(1<<6);

down(&leds_lock);
leds_status = 0x0;
up(&leds_lock);

break;
}

case 1: /* /dev/led1 */
{
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF4, S3C2410_GPF4_OUTP);
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF4, 0);

down(&leds_lock);
leds_status &= ~(1<<0);
up(&leds_lock);

break;
}

case 2: /* /dev/led2 */
{
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF5, S3C2410_GPF5_OUTP);
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF5, 0);
leds_status &= ~(1<<1);
break;
}

case 3: /* /dev/led3 */
{
s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF6, S3C2410_GPF6_OUTP);
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF6, 0);

down(&leds_lock);
leds_status &= ~(1<<2);
up(&leds_lock);

break;
}

}

return 0;
}

static int s3c24xx_leds_read(struct file *filp, char __user *buff,
size_t count, loff_t *offp)
{
int minor = MINOR(filp->f_dentry->d_inode->i_rdev);
char val;

switch (minor)
{
case 0: /* /dev/leds */
{

copy_to_user(buff, (const void *)&leds_status, 1);
break;
}

case 1: /* /dev/led1 */
{
down(&leds_lock);
val = leds_status & 0x1;
up(&leds_lock);
copy_to_user(buff, (const void *)&val, 1);
break;
}

case 2: /* /dev/led2 */
{
down(&leds_lock);
val = (leds_status>>1) & 0x1;
up(&leds_lock);
copy_to_user(buff, (const void *)&val, 1);
break;
}

case 3: /* /dev/led3 */
{
down(&leds_lock);
val = (leds_status>>2) & 0x1;
up(&leds_lock);
copy_to_user(buff, (const void *)&val, 1);
break;
}

}

return 1;
}

static ssize_t s3c24xx_leds_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{
//int minor = MINOR(inode->i_rdev); //MINOR(inode->i_cdev);
int minor = MINOR(file->f_dentry->d_inode->i_rdev);
char val;

copy_from_user(&val, buf, 1);

switch (minor)
{
case 0: /* /dev/leds */
{
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF4, (val & 0x1));
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF5, (val & 0x1));
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF6, (val & 0x1));
down(&leds_lock);
leds_status = val;
up(&leds_lock);
break;
}

case 1: /* /dev/led1 */
{
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF4, val);

if (val == 0)
{
down(&leds_lock);
leds_status &= ~(1<<0);
up(&leds_lock);
}
else
{
down(&leds_lock);
leds_status |= (1<<0);
up(&leds_lock);
}
break;
}

case 2: /* /dev/led2 */
{
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF5, val);
if (val == 0)
{
down(&leds_lock);
leds_status &= ~(1<<1);
up(&leds_lock);
}
else
{
down(&leds_lock);
leds_status |= (1<<1);
up(&leds_lock);
}
break;
}

case 3: /* /dev/led3 */
{
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF6, val);
if (val == 0)
{
down(&leds_lock);
leds_status &= ~(1<<2);
up(&leds_lock);
}
else
{
down(&leds_lock);
leds_status |= (1<<2);
up(&leds_lock);
}
break;
}

}

return 1;
}

/* 这个结构是字符设备驱动程序的核心
* 当应用程序操作设备文件时所调用的open、read、write等函数，
* 最终会调用这个结构中指定的对应函数
*/
static struct file_operations s3c24xx_leds_fops = {
.owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
.open = s3c24xx_leds_open,
.read =s3c24xx_leds_read,
.write = s3c24xx_leds_write,
};

/*
* 执行insmod命令时就会调用这个函数
*/
static int __init s3c24xx_leds_init(void)
//static int __init init_module(void)

{
int ret;
int minor = 0;

gpio_va = ioremap(0x56000000, 0x100000);
if (!gpio_va) {
return -EIO;
}

/* 注册字符设备
* 参数为主设备号、设备名字、file_operations结构；
* 这样，主设备号就和具体的file_operations结构联系起来了，
* 操作主设备为LED_MAJOR的设备文件时，就会调用s3c24xx_leds_fops中的相关成员函数
* LED_MAJOR可以设为0，表示由内核自动分配主设备号
*/
ret = register_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME, &s3c24xx_leds_fops);
if (ret < 0) {
printk(DEVICE_NAME " can't register major number\n");
return ret;
}

leds_class = class_create(THIS_MODULE, "leds");
if (IS_ERR(leds_class))
return PTR_ERR(leds_class);


leds_class_devs[0] = class_device_create(leds_class, NULL, MKDEV(LED_MAJOR, 0), NULL, "leds");

for (minor = 1; minor < 4; minor++)
{
leds_class_devs[minor] = class_device_create(leds_class, NULL, MKDEV(LED_MAJOR, minor), NULL, "led%d", minor);
if (unlikely(IS_ERR(leds_class_devs[minor])))
return PTR_ERR(leds_class_devs[minor]);
}

printk(DEVICE_NAME " initialized\n");
return 0;
}

/*
* 执行rmmod命令时就会调用这个函数
*/
static void __exit s3c24xx_leds_exit(void)
{
int minor;
/* 卸载驱动程序 */
unregister_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME);

for (minor = 0; minor < 4; minor++)
{
class_device_unregister(leds_class_devs[minor]);
}
class_destroy(leds_class);
    iounmap(gpio_va);
}

/* 这两行指定驱动程序的初始化函数和卸载函数 */
module_init(s3c24xx_leds_init);
module_exit(s3c24xx_leds_exit);

/* 描述驱动程序的一些信息，不是必须的 */
MODULE_AUTHOR("http://www.100ask.net");
MODULE_VERSION("0.1.0");
MODULE_DESCRIPTION("S3C2410/S3C2440 LED Driver");
MODULE_LICENSE("GPL");

注释写的很完整了，大家参考下吧。

不过我想学习嵌入式的话，还是要有一块开发板来实践一下，恩，彼此共勉吧。