Linux內(nèi)核訪問外設I/O內(nèi)存資源的方式有兩種：動態(tài)映射(ioremap)和靜態(tài)映射(map_desc)。

　　一、動態(tài)映射(ioremap)方式

　　動態(tài)映射方式是大家使用了比較多的，也比較簡單。即直接通過內(nèi)核提供的ioremap函數(shù)動態(tài)創(chuàng)建一段外設I/O內(nèi)存資源到內(nèi)核虛擬地址的映射表，從而可以在內(nèi)核空間中訪問這段I/O資源。

　　Ioremap宏定義在asm/io.h內(nèi)：

　　#define ioremap(cookie,size)?????????? __ioremap(cookie,size,0)

　　__ioremap函數(shù)原型為(arm/mm/ioremap.c)：

　　void __iomem * __ioremap(unsigned long phys_addr, size_t size, unsigned long

　　flags);

　　phys_addr：要映射的起始的IO地址

　　size：要映射的空間的大小

　　flags：要映射的IO空間和權限有關的標志

　　該函數(shù)返回映射后的內(nèi)核虛擬地址(3G-4G). 接著便可以通過讀寫該返回的內(nèi)核虛擬地址去訪問之這段I/O內(nèi)存資源。

　　舉一個簡單的例子: (取自s3c2410的iis音頻驅(qū)動)

　　比如我們要訪問s3c2410平臺上的I2S寄存器, 查看datasheet 知道IIS物理地址為0x55000000，

　　我們把它定義為宏S3C2410_PA_IIS，如下：

　　#define S3C2410_PA_IIS??? (0x55000000)

　　若要在內(nèi)核空間(iis驅(qū)動)中訪問這段I/O寄存器(IIS)資源需要先建立到內(nèi)核地址空間的映射:

　　our_card->regs = ioremap(S3C2410_PA_IIS, 0x100);

　　if (our_card->regs == NULL) {

　　err = -ENXIO;

　　goto exit_err;

　　}

　　創(chuàng)建好了之后，我們就可以通過readl(our_card->regs )或writel(value, our_card->regs)等IO接口函數(shù)去訪問它。

　　二、靜態(tài)映射(map_desc)方式

　　下面重點介紹靜態(tài)映射方式即通過map_desc結(jié)構(gòu)體靜態(tài)創(chuàng)建I/O資源映射表。

　　內(nèi)核提供了在系統(tǒng)啟動時通過map_desc結(jié)構(gòu)體靜態(tài)創(chuàng)建I/O資源到內(nèi)核地址空間的線性映射表(即page table)的方式，這種映射表是一種一一映射的關系。程序員可以自己定義該I/O內(nèi)存資源映射后的虛擬地址。創(chuàng)建好了靜態(tài)映射表，在內(nèi)核或驅(qū)動中訪問該 I/O資源時則無需再進行ioreamp動態(tài)映射，可以直接通過映射后的I/O虛擬地址去訪問它。

　　下面詳細分析這種機制的原理并舉例說明如何通過這種靜態(tài)映射的方式訪問外設I/O內(nèi)存資源。

　　內(nèi)核提供了一個重要的結(jié)構(gòu)體struct machine_desc ,這個結(jié)構(gòu)體在內(nèi)核移植中起到相當重要的作用,內(nèi)核通過machine_desc結(jié)構(gòu)體來控制系統(tǒng)體系架構(gòu)相關部分的初始化。

　　machine_desc結(jié)構(gòu)體的成員包含了體系架構(gòu)相關部分的幾個最重要的初始化函數(shù)，包括map_io,init_irq, init_machine以及phys_io , timer成員等。

　　machine_desc結(jié)構(gòu)體定義如下：

　　struct machine_desc {

　　/*

　　* Note! The first four elements are used

　　* by assembler code in head-armv.S

　　*/

　　unsigned int??????? nr;??????? /* architecture number??? */

　　unsigned int??????? phys_io;??? /* start of physical io??? */

　　unsigned int??????? io_pg_offst;??? /* byte offset for io

　　* page tabe entry??? */

　　const char??????? *name;??????? /* architecture name??? */

　　unsigned long??????? boot_params;??? /* tagged list??????? */

　　unsigned int??????? video_start;??? /* start of video RAM??? */

　　unsigned int??????? video_end;??? /* end of video RAM??? */

　　unsigned int??????? reserve_lp0 :1;??? /* never has lp0??? */

　　unsigned int??????? reserve_lp1 :1;??? /* never has lp1??? */

　　unsigned int??????? reserve_lp2 :1;??? /* never has lp2??? */

　　unsigned int??????? soft_reboot :1;??? /* soft reboot??????? */

　　void??????????? (*fixup)(struct machine_desc *,

　　struct tag *, char **,

　　struct meminfo *);

　　void??????????? (*map_io)(void);/* IO mapping function??? */

　　void??????????? (*init_irq)(void);

　　struct sys_timer??? *timer;??????? /* system tick timer??? */

　　void??????????? (*init_machine)(void);

　　};

　　這里的map_io成員即內(nèi)核提供給用戶的創(chuàng)建外設I/O資源到內(nèi)核虛擬地址靜態(tài)映射表的接口函數(shù)。Map_io成員函數(shù)會在系統(tǒng)初始化過程中被調(diào)用,流程如下：

　　Start_kernel -> setup_arch() --> paging_init() --> devicemaps_init()中被調(diào)用Machine_desc結(jié)構(gòu)體通過MACHINE_START宏來初始化。

　　注：MACHINE_START的使用及各個成員函數(shù)的調(diào)用過程請參考:

　　http://blog.chinaunix.net/u2/60011/showart_1010489.html

　　用戶可以在定義Machine_desc結(jié)構(gòu)體時指定Map_io的接口函數(shù)，這里以s3c2410平臺為例。

　　s3c2410 machine_desc結(jié)構(gòu)體定義如下：

　　/* arch/arm/mach-s3c2410/Mach-smdk2410.c */

　　MACHINE_START(SMDK2410, "SMDK2410") /* @TODO: request a new identifier and switch

　　* to SMDK2410 */

　　/* Maintainer: Jonas Dietsche */

　　.phys_io??? = S3C2410_PA_UART,

　　.io_pg_offst??? = (((u32)S3C24XX_VA_UART) >> 18) & 0xfffc,

　　.boot_params??? = S3C2410_SDRAM_PA + 0x100,

　　.map_io??????? = smdk2410_map_io,

　　.init_irq??? = s3c24xx_init_irq,

　　.init_machine??? = smdk2410_init,

　　.timer??????? = &s3c24xx_timer,

　　MACHINE_END

　　如上,map_io被初始化為smdk2410_map_io。smdk2410_map_io即我們自己定義的創(chuàng)建靜態(tài)I/O映射表的函數(shù)。在Porting內(nèi)核到新開發(fā)板時，這個函數(shù)需要我們自己實現(xiàn)。

　　(注：這個函數(shù)通常情況下可以實現(xiàn)得很簡單，只要直接調(diào)用iotable_init創(chuàng)建映射表就行了，我們的板子內(nèi)核就是。不過s3c2410 平臺這個函數(shù)實現(xiàn)得稍微有點復雜，主要是因為它將要創(chuàng)建IO映射表的資源分為了三個部分(smdk2410_iodesc, s3c_iodesc以及s3c2410_iodesc)在不同階段分別創(chuàng)建。這里我們?nèi)∑渲幸粋€部分進行分析，不影響對整個概念的理解。)

　S3c2410平臺的smdk2410_map_io函數(shù)最終會調(diào)用到s3c2410_map_io函數(shù)。

　　流程如下：s3c2410_map_io -> s3c24xx_init_io -> s3c2410_map_io

　　下面分析一下s3c2410_map_io函數(shù)：

　　void __init s3c2410_map_io(struct map_desc *mach_desc, int mach_size)

　　{

　　/* register our io-tables */

　　iotable_init(s3c2410_iodesc, ARRAY_SIZE(s3c2410_iodesc));

　　……

　　}

　　iotable_init內(nèi)核提供，定義如下：

　　/*

　　* Create the architecture specific mappings

　　*/

　　void __init iotable_init(struct map_desc *io_desc, int nr)

　　{

　　int i;

　　for (i = 0; i? nr; i++)

　　create_mapping(io_desc + i);

　　}

　　由上知道，s3c2410_map_io最終調(diào)用iotable_init建立映射表。

　　iotable_init函數(shù)的參數(shù)有兩個：一個是map_desc類型的結(jié)構(gòu)體，另一個是該結(jié)構(gòu)體的數(shù)量nr。這里最關鍵的就是struct map_desc。map_desc結(jié)構(gòu)體定義如下：

　　/* include/asm-arm/mach/map.h */

　　struct map_desc {

　　unsigned long virtual;??? /* 映射后的虛擬地址 */

　　unsigned long pfn;??????? /* I/O資源物理地址所在的頁幀號 */

　　unsigned long length;??? /* I/O資源長度 */

　　unsigned int type;??????? /* I/O資源類型 */

　　};

　　create_mapping函數(shù)就是通過map_desc提供的信息創(chuàng)建線性映射表的。

　　這樣的話我們就知道了創(chuàng)建I/O映射表的大致流程為：只要定義相應I/O資源的map_desc結(jié)構(gòu)體，并將該結(jié)構(gòu)體傳給iotable_init函數(shù)執(zhí)行，就可以創(chuàng)建相應的I/O資源到內(nèi)核虛擬地址空間的映射表了。

　　我們來看看s3c2410是怎么定義map_desc結(jié)構(gòu)體的(即上面s3c2410_map_io函數(shù)內(nèi)的s3c2410_iodesc)。

　　/* arch/arm/mach-s3c2410/s3c2410.c */

　　static struct map_desc s3c2410_iodesc[] __initdata = {

　　IODESC_ENT(USBHOST),

　　IODESC_ENT(CLKPWR),

　　IODESC_ENT(LCD),

　　IODESC_ENT(TIMER),

　　IODESC_ENT(ADC),

　　IODESC_ENT(WATCHDOG),

　　};

　　IODESC_ENT宏如下：

　　#define IODESC_ENT(x) { (unsigned long)S3C24XX_VA_##x,

　　__phys_to_pfn(S3C24XX_PA_##x), S3C24XX_SZ_##x, MT_DEVICE }

　　展開后等價于：

　　static struct map_desc s3c2410_iodesc[] __initdata = {

　　{

　　.virtual??? =???? (unsigned long)S3C24XX_VA_ LCD),

　　.pfn??????? =???? __phys_to_pfn(S3C24XX_PA_ LCD),

　　.length??? =??? S3C24XX_SZ_ LCD,

　　.type??? =???? MT_DEVICE

　　},

　　……

　　};

　　S3C24XX_PA_ LCD和S3C24XX_VA_ LCD為定義在map.h內(nèi)的LCD寄存器的物理地址和虛擬地址。在這里map_desc 結(jié)構(gòu)體的virtual成員被初始化為S3C24XX_VA_ LCD，pfn成員值通過__phys_to_pfn內(nèi)核函數(shù)計算，只需要傳遞給它該I/O資源的物理地址就行。Length為映射資源的大小。 MT_DEVICE為I/O類型，通常定義為MT_DEVICE。

　　這里最重要的即virtual 成員的值S3C24XX_VA_ LCD，這個值即該I/O資源映射后的內(nèi)核虛擬地址，創(chuàng)建映射表成功后，便可以在內(nèi)核或驅(qū)動中直接通過該虛擬地址訪問這個I/O資源。

　　S3C24XX_VA_ LCD以及S3C24XX_PA_ LCD定義如下：

　　/* include/asm-arm/arch-s3c2410/map.h */

　　/* LCD controller */

　　#define S3C24XX_VA_LCD????????? S3C2410_ADDR(0x00600000)?? //LCD映射后的虛擬地址

　　#define S3C2410_PA_LCD?????????? (0x4D000000)??? //LCD寄存器物理地址

　　#define S3C24XX_SZ_LCD?????????? SZ_1M??????? //LCD寄存器大小

　　S3C2410_ADDR 定義如下：

　　#define S3C2410_ADDR(x)??????? ((void __iomem *)0xF0000000 + (x))

　　這里就是一種線性偏移關系，即s3c2410創(chuàng)建的I/O靜態(tài)映射表會被映射到0xF0000000之后。(這個線性偏移值可以改，也可以你自己在virtual成員里手動定義一個值，只要不和其他IO資源映射地址沖突,但最好是在0XF0000000之后。)

　　(注：其實這里S3C2410_ADDR的線性偏移只是s3c2410平臺的一種做法，很多其他arm平臺采用了通用的IO_ADDRESS宏來計算物理地址到虛擬地址之前的偏移。

　　IO_ADDRESS宏定義如下：

　　/* include/asm/arch-versatile/hardware.h */

　　/* macro to get at IO space when running virtually */

　　#define IO_ADDRESS(x)??????????? (((x) & 0x0fffffff) + (((x) >> 4) & 0x0f000000) +

　　0xf0000000) )

　　s3c2410_iodesc這個映射表建立成功后，我們在內(nèi)核中便可以直接通過S3C24XX_VA_ LCD訪問LCD的寄存器資源。

　　如：S3c2410 lcd驅(qū)動的probe函數(shù)內(nèi)

　　/* Stop the video and unset ENVID if set */

　　info->regs.lcdcon1 &= ~S3C2410_LCDCON1_ENVID;

　　lcdcon1 = readl(S3C2410_LCDCON1); //read映射后的寄存器虛擬地址

　　writel(lcdcon1 & ~S3C2410_LCDCON1_ENVID, S3C2410_LCDCON1); //write映射后的虛擬地址

　　S3C2410_LCDCON1寄存器地址為相對于S3C24XX_VA_LCD偏移的一個地址，定義如下：

　　/* include/asm/arch-s3c2410/regs-lcd.h */

　　#define S3C2410_LCDREG(x) ((x) + S3C24XX_VA_LCD)

　　/* LCD control registers */

　　#define S3C2410_LCDCON1??????? S3C2410_LCDREG(0x00)

　　到此，我們知道了通過map_desc結(jié)構(gòu)體創(chuàng)建I/O內(nèi)存資源靜態(tài)映射表的原理了?？偨Y(jié)一下發(fā)現(xiàn)其實過程很簡單，一通過定義map_desc結(jié)構(gòu)體創(chuàng)建靜態(tài)映射表，二在內(nèi)核中通過創(chuàng)建映射后虛擬地址訪問該IO資源。

三、I/O靜態(tài)映射方式應用實例

　　I/O靜態(tài)映射方式通常是用在寄存器資源的映射上，這樣在編寫內(nèi)核代碼或驅(qū)動時就不需要再進行ioremap，直接使用映射后的內(nèi)核虛擬地址訪問。同樣的IO資源只需要在內(nèi)核初始化過程中映射一次，以后就可以一直使用。

　　寄存器資源映射的例子上面講原理時已經(jīng)介紹得很清楚了，這里我舉一個SRAM的實例介紹如何應用這種I/O靜態(tài)映射方式。當然原理和操作過程同寄存器資源是一樣的，可以把SRAM看成是大號的I/O寄存器資源。

　　比如我的板子在0x30000000位置有一塊64KB大小的SRAM。我們現(xiàn)在需要通過靜態(tài)映射的方式去訪問該SRAM。我們要做的事內(nèi)容包括修改kernel代碼，添加SRAM資源相應的map_desc結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建sram到內(nèi)核地址空間的靜態(tài)映射表。寫一個Sram Module,在Sram Module 內(nèi)直接通過靜態(tài)映射后的內(nèi)核虛擬地址訪問該sram。

　　第一步：創(chuàng)建SRAM靜態(tài)映射表

　　在我板子的map_des結(jié)構(gòu)體數(shù)組(xxx_io_desc）內(nèi)添加SRAM資源相應的map_desc。如下：

　　static struct map_desc xxx_io_desc[] __initdata = {

　　…………

　　{

　　.virtual??? = IO_ADDRESS(XXX _UART2_BASE),

　　.pfn??????? = __phys_to_pfn(XXX _UART2_BASE),

　　.length??????? = SZ_4K,

　　.type??????? = MT_DEVICE

　　},{

　　.virtual??? = IO_ADDRESS(XXX_SRAM_BASE),

　　.pfn??????? = __phys_to_pfn(XXX_SRAM_BASE),

　　.length??????? = SZ_4K,

　　.type??????? = MT_DEVICE

　　},

　　};

　　宏XXX_SRAM_BASE為我板子上SRAM的物理地址,定義為0x30000000。我的kernel是通過IO_ADDRESS的方式計算內(nèi)核虛擬地址的，這點和之前介紹的S3c2410有點不一樣。不過原理都是相同的，為一個線性偏移, 范圍在0xF0000000之后。

　　第二步：寫個SRAM Module,在Module中通過映射后的虛擬地址直接訪問該SRAM資源

　　SRAM Module代碼如下：

　　/* Sram Testing Module */

　　……

　　static void sram_test(void)

　　{

　　void * sram_p;

　　char str[] = "Hello,sram!\n";

　　sram_p = (void *)IO_ADDRESS (XXX_SRAM_BASE); /* 通過IO_ADDRESS宏得到SRAM映射后的虛擬地址 */

　　memcpy(sram_p, str, sizeof(str));??? //將 str字符數(shù)組拷貝到sram內(nèi)

　　printk(sram_p);

　　printk("\n");

　　}

　　static int __init sram_init(void)

　　{

　　struct resource * ret;

　　printk("Request SRAM mem region ............\n");

　　ret = request_mem_region(SRAM_BASE, SRAM_SIZE, "SRAM Region");

　　if (ret ==NULL) {

　　printk("Request SRAM mem region failed!\n");

　　return -1;

　　}

　　sram_test();

　　return 0;

　　}

　　static void __exit sram_exit(void)

　　{

　　release_mem_region(SRAM_BASE, SRAM_SIZE);

　　printk("Release SRAM mem region success!\n");

　　printk("SRAM is closed\n");

　　}

　　module_init(sram_init);

　　module_exit(sram_exit);

　　在開發(fā)板上運行結(jié)果如下：

　　/ # insmod bin/sram.ko

　　Request SRAM mem region ............

　　Hello,sram!????? ß 這句即打印的SRAM內(nèi)的字符串

　　/ # rmmod sram

　　Release SRAM mem region success!

　　SRAM is close

　　實驗發(fā)現(xiàn)可以通過映射后的地址正常訪問SRAM。

　　最后，這里舉SRAM作為例子的還有一個原因是通過靜態(tài)映射方式訪問SRAM的話，我們可以預先知道SRAM映射后的內(nèi)核虛擬地址（通過 IOADDRESS計算）。這樣的話就可以嘗試在SRAM上做點文章。比如寫個內(nèi)存分配的MODULE管理SRAM或者其他方式，將一些critical 的數(shù)據(jù)放在SRAM內(nèi)運行，這樣可以提高一些復雜程序的運行效率(SRAM速度比SDRAM快多了)，比如音視頻的編解碼過程中用到的較大的buffer 等。