原创 armlinux外设I/O映射

armlinux外设I/O映射
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我们在写linux驱动时估计大家都遇到过io访问的，这是可能就要用到request_region,ioremap,ioport_map，

其实我们为甚么要这个呢，因为Linux采用了mmu，即我们使用的是虚拟地址，所以如果我们要访问内存必须要将其映射，然后再访问它:

而在arm平台上外设的io映射有两种方式。

1.在具体的平台的cpu.c的s3c_iodesc添加Io

static struct map_desc s3c_iodesc[] __initdata = {

    IODESC_ENT(GPIO),//定义了I/o映射后的地址

    IODESC_ENT(IRQ),//定义了中断相关的地址

    IODESC_ENT(MEMCTRL),//定义了mem相关寄存器的地址

    IODESC_ENT(UART)

};

然后在系统启动的时候调用mach的map_io时会调用

iotable_init(s3c_iodesc, ARRAY_SIZE(s3c_iodesc));

这个然后就执行mmu映射，将io映射到高端内核虚拟地址.

2.通过ioremap

    这个函数执行其实也是通过mmu映射将io映射到虚拟地址。

    只不过这个是你随时可以调用，所以它可以看成是动态分配io资源。

    正因为是动态分配，就有一个冲突问题，如果你开始在一个驱动中使用了一个Io资源，然后其他人也想用这个资源，那么如果都调用了这个函数，就会出现，两个驱动访问同一资源的现象，可能引起错误,当然你们如果确实是想都操作这些io那没问题。

    因此对于独享io，一般要先调用request_region注册这个资源，以让别人知道你在使用这个Io，同样如果别人已经用了这个资源就会调用不成功，这样就可达到避免从突，当然这个是君子协议，如果你request_region返回错误后还是可以使用ioremap的，这时候你自己就得承担可能的后果了。

  然后映射后就可以访问了， 大家都知道writeb,writel,readb,readl,ioread这些操作io内存的函数.

  其实这些主要是为了屏蔽平台的差异性，向用户提供统一的接口,不同平台编译成不同的指令，对于arm，writel(start,offset,value)等价于＊(volatile usigned int *)=value;

  从上面我们就可以看出如果你的外设的Io资源已经在s3c_iodesc注册，你在使用io前就不需要ioremap,直接使用相应io的虚拟地址即可，在linux中一般都定义了的，像s3c2410_GPIOA等等。

  也正因为如此，相使用gpio的驱动就不用使用Ioremap了，因为它们都属于gpio，已经在map_io时就初始化了.

    其实在x86下还有一个和ioremap对应的，就是ioport_map

void __iomem *ioport_map(unsigned long port, unsigned int nr)

    {

        if (port > PIO_MASK)

            return NULL;

        return (void __iomem *) (unsigned long) (port + PIO_OFFSET);

    }



    void ioport_unmap(void __iomem *addr)

    {

        /* Nothing to do */

    }

    它只是简单地把I/O端口号加上PIO_OFFSET(64K)，作为一个“假”的内存地址返回，而unmap则什么也不做。之所以这样做，是基于这样一个事实：真正的I/O内存地址经过映射成为虚拟地址后，由于是在内核空间，其值肯定大于3G。而port+PIO_OFFSET不会大于128K。所以，内核不会把这两种地址搞混。可以分别进行处理，下面看看ioread8函数的实现：

unsigned int fastcall ioread8(void __iomem *addr)

    {

        unsigned long port = (unsigned long __force)addr;

        if( port < 0x40000UL ) {

            BUG_ON( (port & ~PIO_MASK) != PIO_OFFSET );

            port &= PIO_MASK;

            return inb(port);

        }else{

            return readb(addr);

        }

    }

 



既然上面说到mmu.



  下面我们具体叙述进入linux后的空间映射过程。此时内核没有解压缩，根据$(TOPDIR)/arch/arm/boot中的Makefile和其子目录compressed目录下的文件，我们可以知道head.S是整个压缩镜像的入口。从compressed/vmlinux.lds文件中我们得知解压后的内核起始地址为0x30008000，从相应的Makefile中也知道LOAD_ADDR=ZRELADDR=0x30008000。在 head.S中进行了内核解压，同时调用解压的内核开始运行内核。



mov pc, r4          @其中r4就是0x30008000



大家注意在head.S中的技巧，在进入head.S时寄存器pc的值为0x30008000，在整个程序中adr,ldr伪指令，以及 ldr,str,b,bl等指令中对于标号或是符号的寻址都是基于pc的，所以整个压缩镜像的程序的标号虽然是以0开始，但还是能够在 0x30008000后的空间中运行的很好。代码中多处涉及到空间的修正，请大家仔细斟酌，这个特性在更重要的内核启动的空间切换中至关重要。



adr r0, LC0  @LC0本身是以0为基址的偏移，而adr的基于pc寻址导致r0是相对于0x30008000的

ldmia r0, {r1, r2, r3, r4, r5, r6, ip, sp} @r1,r2等的值都是对于0的偏移

subs r0, r0, r1  @ calculate the delta offset

teq r0, #0  @ if delta is zero, we're，一定不等于0

beq not_relocated

.type LC0, #object

LC0:  .word LC0  @ r1

  .word __bss_start  @ r2

  .word _end  @ r3

  .word _load_addr  @ r4

  .word _start  @ r5

  .word _got_start  @ r6

  .word _got_end  @ ip

  .word user_stack+4096  @ sp



我们再看进入内核的映射过程，进入内核后，pc=0x30008000，而代码连接地址是以TEXTADDR=0xc0008000开始的，这就意味着上述情况依然存在，实际程序中标号和符号都是基于0xc0008000的，但是通过pc我们可以使程序运行的很好，这称作location indepence。也就是说，不管程序的链接地址如何，只要用基于pc寻址的指令（ldr,str,b,bl,adr等），就没有问题。

进入$(TOPDIR)/arch/arm/kernel/head_armv.S



stext=0xc0008000,pc=0x30008000



ENTRY(stext)

  mov r12, r0



  mov r0, #0

  mov r1, #MACH_TYPE_S3C2440



  mov r0, #F_BIT | I_BIT | MODE_SVC @ make sure svc mode

  msr cpsr_c, r0  @ and all irqs disabled

  bl __lookup_processor_type    @利用pc寻址

  teq r10, #0    @ invalid processor?

  moveq r0, #'p'  @ yes, error 'p'

  beq __error  @利用pc寻址

  bl __lookup_architecture_type    @利用pc寻址

  teq r7, #0    @ invalid architecture?

  moveq r0, #'a'  @ yes, error 'a'

  beq __error  @利用pc寻址

  bl __create_page_tables  @利用pc寻址

  adr lr, __ret  @ return address    @页表建立，MMU未用，利用pc寻址,lr在0x30008000之中偏移

  add pc, r10, #12  @ initialise processor，执行__arm920_setup，在文件$(TOPDIR)/arch/arm/mm/proc-arm920.S



  .type __switch_data, %object

__switch_data: .long __mmap_switched  @__mmap_switched是以0xc0008000为偏移的



  .type __ret, %function

__ret:  ldr lr, __switch_data  @此时lr=0xc0008000中__mmap_switched的偏移

  mcr p15, 0, r0, c1, c0    @开启MMU

  mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0  @ 此时pc还在0x30008000的空间中，通过0x30004c00的页表项映射成本身

  mov r0, r0

  mov r0, r0

  mov pc, lr    @质的飞越，真正跳入内核虚空间，pc=0xc0008000+__mmap_switched的偏移



/*

* The following fragment of code is executed with the MMU on, and uses

* absolute addresses; this is not position independent.

*

*  r0  = processor control register

*  r1  = machine ID

*  r9  = processor ID

*/

  .align 5

__mmap_switched:



  adr r3, __switch_data + 4 @此时所有相对于pc寻址的指令都会在0xc0000000的虚空间中

  ldmia r3, {r4, r5, r6, r7, r8, sp}@ r2 = compat

      @ sp = stack pointer



  mov fp, #0    @ Clear BSS (and zero fp)

1:  cmp r4, r5

  strcc fp, [r4],#4

  bcc 1b



  str r9, [r6]  @ Save processor ID

  str r1, [r7]  @ Save machine type

#ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP

  orr r0, r0, #2  @ ...........A.

#endif

  bic r2, r0, #2  @ Clear 'A' bit

  stmia r8, {r0, r2}  @ Save control register values

  b SYMBOL_NAME(start_kernel)



__create_page_tables:

  pgtbl r4, r5    @ page table address宏，返回页表物理地址r4=0x30004000



  /*

  * Clear the 16K level 1 swapper page table

  */

  mov r0, r4

  mov r3, #0

  add r2, r0, #0x4000

1:  str r3, [r0], #4

  str r3, [r0], #4

  str r3, [r0], #4

  str r3, [r0], #4

  teq r0, r2

  bne 1b



/*

  * Create identity mapping for first MB of kernel to

  * cater for the MMU enable.  This identity mapping

  * will be removed by paging_init()

  */

  krnladr r2, r4, r5  @ start of kernel宏，返回kernel空间的物理起始地址r2=0x30000000

  add r3, r8, r2  @ flags + kernel base，r3=0x30000c1e

  str r3, [r4, r2, lsr #18]  @ identity mapping，为了使得MMU开启后，pc在未转换到虚地址0xc0008000的空间中之前，还能够继续映射原空间，即在0x30004c00中填入 0x30000c1e，把0x30000000的虚拟空间映射到0x30000000的物理空间之中



  /*

  * Now setup the pagetables for our kernel direct

  * mapped region.  We round TEXTADDR down to the

  * nearest megabyte boundary.

  */

  add r0, r4, #(TEXTADDR & 0xff000000) >> 18 @ start of kernel，r0=0x30007000，计算第一级入口地址

  bic r2, r3, #0x00f00000 @r2=0x30000c1e

  str r2, [r0]  @ PAGE_OFFSET + 0MB 

  add r0, r0, #(TEXTADDR & 0x00f00000) >> 18

  str r3, [r0], #4  @ KERNEL + 0MB    @在0x30007000填入第1M区域，c0000000==>30000000

  add r3, r3, #1 << 20

  str r3, [r0], #4  @ KERNEL + 1MB    @在0x30007004填入第2M区域，c0100000==>30100000

  add r3, r3, #1 << 20

  str r3, [r0], #4  @ KERNEL + 2MB    @在0x30007008填入第3M区域，c0200000==>30200000

  add r3, r3, #1 << 20

  str r3, [r0], #4  @ KERNEL + 3MB    @在0x3000700c填入第4M区域，c0300000==>30300000



bic r8, r8, #0x0c



mov pc, lr



__arm920_setup:

mov r0, #0

mcr p15, 0, r0, c7, c7  @ invalidate I,D caches on v4

mcr p15, 0, r0, c7, c10, 4  @ drain write buffer on v4

mcr p15, 0, r0, c8, c7  @ invalidate I,D TLBs on v4

mcr p15, 0, r4, c2, c0  @ load page table pointer

mov r0, #0x1f  @ Domains 0, 1 = client

mcr p15, 0, r0, c3, c0  @ load domain access register

mrc p15, 0, r0, c1, c0  @ get control register v4

/*

* Clear out 'unwanted' bits (then put them in if we need them)

*/

      @  VI ZFRS BLDP WCAM

bic r0, r0, #0x0e00

bic r0, r0, #0x0002

bic r0, r0, #0x000c

bic r0, r0, #0x1000  @ ...0 000. .... 000.

/*

* Turn on what we want

*/

orr r0, r0, #0x0031

orr r0, r0, #0x2100  @ ..1. ...1 ..11 ...1



#ifndef CONFIG_CPU_DCACHE_DISABLE

orr r0, r0, #0x0004  @ .... .... .... .1..

#endif

#ifndef CONFIG_CPU_ICACHE_DISABLE

orr r0, r0, #0x1000  @ ...1 .... .... ....

#endif

mov pc, lr

  上面这个只是建立必备的最少的mmu映射，中断及其他ram还有外设的io此时都还没有映射，为什么要这样设置呢，其实应该是为了增加灵活性。

由于此时已经开启mmu，以后要修改或添加mmu就得要使用mmu_base的虚拟地址了，这个就是

.globl  swapper_pg_dir

.equ    swapper_pg_dir, KERNEL_RAM_VADDR - 0x4000

然后我们进入start_kernel看其他部分的mmu初始化

其实在start_kernel里与mmu映射有关的就是



asmlinkage void __init start_kernel(void)

{

    char * command_line;

    extern struct kernel_param __start___param[], __stop___param[];



    smp_setup_processor_id();



    /*

    * Need to run as early as possible, to initialize the

    * lockdep hash:

    */

    lockdep_init();

    debug_objects_early_init();

    cgroup_init_early();



    local_irq_disable();

    early_boot_irqs_off();

    early_init_irq_lock_class();



/*

* Interrupts are still disabled. Do necessary setups, then

* enable them

*/

    lock_kernel();

    tick_init();

    boot_cpu_init();

    page_address_init();

    printk(KERN_NOTICE);

    printk(linux_banner);

    setup_arch(&command_line);

    mm_init_owner(&init_mm, &init_task);



就是setup_arch

这个文件在arch/arm/kernel/setup.c中

void __init setup_arch(char **cmdline_p)

{

    struct tag *tags = (struct tag *)&init_tags;

    struct machine_desc *mdesc;

    char *from = default_command_line;



    setup_processor();

    mdesc = setup_machine(machine_arch_type);

    machine_name = mdesc->name;



    if (mdesc->soft_reboot)

        reboot_setup("s");



    if (__atags_pointer)

        tags = phys_to_virt(__atags_pointer);

    else if (mdesc->boot_params)

        tags = phys_to_virt(mdesc->boot_params);



    /*

    * If we have the old style parameters, convert them to

    * a tag list.

    */

    if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)

        convert_to_tag_list(tags);

    if (tags->hdr.tag != ATAG_CORE)

        tags = (struct tag *)&init_tags;



    if (mdesc->fixup)

        mdesc->fixup(mdesc, tags, &from, &meminfo);



    if (tags->hdr.tag == ATAG_CORE) {

        if (meminfo.nr_banks != 0)

            squash_mem_tags(tags);

        save_atags(tags);

        parse_tags(tags);

    }



    init_mm.start_code = (unsigned long) _text;

    init_mm.end_code  = (unsigned long) _etext;

    init_mm.end_data  = (unsigned long) _edata;

    init_mm.brk    = (unsigned long) _end;



    memcpy(boot_command_line, from, COMMAND_LINE_SIZE);

    boot_command_line[COMMAND_LINE_SIZE-1] = '\0';

    parse_cmdline(cmdline_p, from);

    paging_init(mdesc);

这个paging_init就是和mmu_init有关的

void __init paging_init(struct machine_desc *mdesc)

{

    void *zero_page;



    build_mem_type_table();

    sanity_check_meminfo();

    prepare_page_table();

    bootmem_init();

    devicemaps_init(mdesc);



    top_pmd = pmd_off_k(0xffff0000);



    /*

    * allocate the zero page.  Note that this always succeeds and

    * returns a zeroed result.

    */

    zero_page = alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);

    empty_zero_page = virt_to_page(zero_page);

    flush_dcache_page(empty_zero_page);

}



devicemaps_init就是和io mmap直接相关的了.

static void __init devicemaps_init(struct machine_desc *mdesc)

{

    struct map_desc map;

    unsigned long addr;

    void *vectors;



    /*

    * Allocate the vector page early.

    */

    vectors = alloc_bootmem_low_pages(PAGE_SIZE);



    for (addr = VMALLOC_END; addr; addr += PGDIR_SIZE)

        pmd_clear(pmd_off_k(addr));



    /*

    * Map the kernel if it is XIP.

    * It is always first in the modulearea.

    */

#ifdef CONFIG_XIP_KERNEL

    map.pfn = __phys_to_pfn(CONFIG_XIP_PHYS_ADDR & SECTION_MASK);

    map.virtual = MODULES_VADDR;

    map.length = ((unsigned long)_etext - map.virtual + ~SECTION_MASK) & SECTION_MASK;

    map.type = MT_ROM;

    create_mapping(&map);

#endif



    /*

    * Map the cache flushing regions.

    */

#ifdef FLUSH_BASE

    map.pfn = __phys_to_pfn(FLUSH_BASE_PHYS);

    map.virtual = FLUSH_BASE;

    map.length = SZ_1M;

    map.type = MT_CACHECLEAN;

    create_mapping(&map);

#endif

#ifdef FLUSH_BASE_MINICACHE

    map.pfn = __phys_to_pfn(FLUSH_BASE_PHYS + SZ_1M);

    map.virtual = FLUSH_BASE_MINICACHE;

    map.length = SZ_1M;

    map.type = MT_MINICLEAN;

    create_mapping(&map);

#endif



    /*

    * Create a mapping for the machine vectors at the high-vectors

    * location (0xffff0000).  If we aren't using high-vectors, also

    * create a mapping at the low-vectors virtual address.

    */

    map.pfn = __phys_to_pfn(virt_to_phys(vectors));

    map.virtual = 0xffff0000;

    map.length = PAGE_SIZE;

    map.type = MT_HIGH_VECTORS;

    create_mapping(&map);//创建中断向量的映射，将起映射到高端向量地址0xffff0000



    if (!vectors_high()) {

        map.virtual = 0;

        map.type = MT_LOW_VECTORS;

        create_mapping(&map);

    }



    /*

    * Ask the machine support to map in the statically mapped devices.

    */

    if (mdesc->map_io)

        mdesc->map_io();//调用mach的map_io来映射外设的io



    /*

    * Finally flush the caches and tlb to ensure that we're in a

    * consistent state wrt the writebuffer.  This also ensures that

    * any write-allocated cache lines in the vector page are written

    * back.  After this point, we can start to touch devices again.

    */

    local_flush_tlb_all();

    flush_cache_all();

}
转自：http://blog.chinaunix.net/u2/89957/showart_1927243.html