Linux内存访问（Liunx驱动3）

1 内存与IO访问
说明:

　　从操作系统角度内存可分为内存空间和IO空间,对于x86系统存在IO空间,但是对于arm系统只有内存空间.
　　内存空间,在linux系统中又分为用户内存和内核内存.用户内存在0~3G范围,内核内存在3G~4G范围.用户程序运行在用户内存中,各个用户具有自己的空间,互相不干扰.内核运行在内核内存中,具有固定分配.
　　内核内存从高向低分为几个部分:保留区,专用页面分配区,高端内存映射区,vmalloc分配区,物理内存映射区.vmalloc分配区与前后区之间有一定的间隔.物理映射区映射物理0~896M的内存，高于此地址的物理内存映射到高端内存映射区。
　　地址可分为物理地址,总线地址,虚拟地址.
　　高性能cpu一般具有mmu内存管理单元,其中包括tlb和ttw。tlb是转换旁路缓存，ttw是转换表漫游。当处理器给出地址后，具有mmu的cpu首先会查找tlb，如果没有找到会在ttw中查找，查找到后将地址放入tlb中。

变量：

kmem_cache_t slab缓存结构,用于slab缓存.
struct vma_area_struct vma结构,用于内存空间映射
成员:{
struct mm_struct *vm_mm;
unsigned long vm_strat;//虚拟空间起始地址
unsigned long vm_end;
pgprot_t vm_page_prot;
unsigned long vm_flags;
vm_operations_struct *vm_ops;//操作函数
…
}
struct map_spec 用于静态空间映射.

函数:

kmalloc (size_t size,int flags) flags一般有GFP_KERNEL,GFP_ATOMIC,GFP_DMA等.使用GFP_KERNEL标志会导致阻塞,而使用GFP_ATOMIC不会导致阻塞.
kfree
__get_free_pages(unsigned int flags,unsigned int order)
vmalloc (unsigned long size)
vfree

• slab相关函数,slab是为了提高内存的使用效率,为频繁分配小内存使用而提出的解决方案.kmalloc就是用slab实现的.
  

  kmem_cache_create
  kmem_cache_alloc
  kmem_cache_free
  kmem_cache_destory

• 内存池相关函数
  mem_pool_create
  mem_pool_alloc
  mem_pool_free
  mem_pool_destory
• 低端内存的物理地址与虚拟地址的转换
  virt_to_phys
  phys_to_virt
  virt_to_page
  virt_to_bus
  bus_to_virt
• IO空间访问函数
  inb
  outb
  inw
  outw
  inl
  outl
  insb
  outsb
  insw
  outsw
  insl
  outsl
• IO内存空间访问函数
  ioremap(unsigned long offset,unsigned long size) 将物理地址映射到虚拟地址
  iounremap
  ioport_map
  ioport_unmap
  ioread8 readb
  iowrite8 writeb
  ioread16 readw
  iowrite16 writew
  ioread32 readl
  iowrite32 writel
  request_region
  release_region
  request_mem_region
  release_mem_region
• 用于内核空间到用户空间内存映射函数
  remap_pfn_range(struct vma_area_struct *,unsigned long start,unsigned long pfn,unsigned long size,pgprot_t prot)//创建页表
  remap_page_range(unsigned long start,unsigned long page,unsigned long pagesize,pgprot_t prot)//
  mem_map_reserve(unsigned long page)
  pgprot_nocached(pgprot_t prot)//将page设置为no cache,一般io空间都要设置为no cache

• 用户侧:
  mmap(void* addr,size_t len,int prot,int flags,int fd,off_t offset)

  prot:PROT_READ,PROT_WRITE,PROT_EXEC...flags:MAP_SHARE,MAP_PRIVATE,MAP_ANONYMOUS...        

  munmap(void *addr,int len)

用法:

• io空间
  request_region
  inb
  outb
  …
  release_region
• io内存
  request_region
  ioport_map
  ioread8
  iowrite8
  ….
  ioport_unmap
  release_region
  request_mem_region
  ioremap
  ioread8
  iowrite8
  …
  iounmap
  release_mem_region

2内核空间映射

说明:

可以将内存中的保留页映射到用户空间,保留页是IO空间,或者通过程序设置.

用法:

• 用户端:
  调用mmap函数
  mmap(NULL,len,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,0);
  …
  munmap();

• 内核:

  • 实现fileoperations中mmap函数
    xx_mmap(struct file *file,struct vm_area_struct *vm)
    {
    remap_pfn_range(vm,vm->vm_start,vm->vm_pgoff,vm-vm_end-vm->vm_start,vm->vm_page_prot);
    vm->vm_ops=xx_vm_ops;
    }
    sturct vm_operations_struct xx_vm_ops={
    .open=xx_open;
    .close=xx_close;
    }

实现kmalloc分配内存的映射

xx_init{share_mem=kmalloc();for(page=virt_to_page(share_mem);page<virt_to_page(share_mem+BUFFER_SIZE);page++)mem_map_reserve(page);将mem设置为保留页}xx_mmap(struct file*file,struct vm_area_struct *vm){pos=(unsigned long)sheare_mem;start=vm->vm_start;while(size>0){page=virt_to_phys(pos);remap_page_range(start,page,PAGE_SIZE,PAGE_SHARED);pos+=PAGE_SIZE;start+=PAGE_SIZE;size-=PAGE_SIZE;        }}xx_exit(){kfree();}

3 DMA操作
说明:

dma操作,可能导致cache不一致的情况,所以应当使用dma_alloc_coherent方法申请dma内存.dma的使用类似于中断.

变量:

struct scatterlist

函数:

void *dma_alloc_coherent(struct device*dev,size_t size,dma_addr_t *handler,gfp_t gfp)
dma_free_coherent(struct device*dev,size_t size,void *cpu_addr,gfp_t gfp)
request_dma(unsigned int dmanr,const char*device_id);
free_dma(unsigned int dmanr);

用法:

request_dma()
dma_alloc_coherent
read,write,ioctl
dma_free_coherent
free_dma