lv14 内核内存管理、动态分频及IO访问 12

一、内核内存管理框架

内核将物理内存等分成N块4KB，称之为一页，每页都用一个struct page来表示，采用伙伴关系算法维护

补充：

Linux内存管理采用了虚拟内存机制，这个机制可以在内存有限的情况下提供更多可用的内存空间。每个进程都有自己独立的虚拟地址空间，应用程序只能访问自己的地址空间，而不能直接访问其他进程的地址空间或内核空间。

当应用程序需要访问某些数据时，它会使用虚拟地址来引用这些数据。实际上，这些虚拟地址并不是直接映射到物理内存，而是由操作系统进行转换。操作系统将虚拟地址映射到物理内存中的一些页框（Page Frame），这个过程称为页表映射（Page Table Mapping）。

因此，每个应用程序都有自己的页表，它们被存储在内存中，这些页表以及对应的物理页框在不同的时间可能会被交换到硬盘上，从而释放内存空间。当应用程序访问虚拟地址时，操作系统会根据页表映射的结果找到相应的物理页框，然后将数据从物理内存中读取出来。

由于每个应用程序都有自己独立的虚拟地址空间和页表，所以应用程序之间的内存访问是相互隔离的。这种隔离机制可以保证每个应用程序只能访问自己的内存空间，而不能对其他应用程序或操作系统造成干扰。这也是为什么应用程序内存不会影响到其他内存的原因。

0~1G虚拟地址给内核用

1~4G虚拟地址给应用程序用（我们这次研究这块）

内核地址空间划分图：

3G~3G+896M：低端内存，直接映射虚拟地址 = 3G + 物理地址（虚拟地址连续，物理地址也连续）

细分为：ZONE_DMA、ZONE_NORMAL

分配方式：

1. kmalloc:小内存分配，slab算法
2. get_free_page：整页分配，2的n次方页，n最大为10

大于3G+896M：高端内存

细分为：vmalloc区、持久映射区、固定映射区

分配方式：

vmalloc：虚拟地址连续，物理地址不连续

二、内核中常用动态分配

2.1 kmalloc

函数原型：

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

　　kmalloc() 申请的内存位于直接映射区域，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，因为存在较简单的转换关系，所以对申请的内存大小有限制，不能超过128KB。　　

较常用的 flags（分配内存的方法）：

GFP_ATOMIC —— 分配内存的过程是一个原子过程，分配内存的过程不会被（高优先级进程或中断）打断；
GFP_KERNEL —— 正常分配内存；
GFP_DMA —— 给 DMA 控制器分配内存，需要使用该标志（DMA要求分配虚拟地址和物理地址连续）。

flags 的参考用法： 　

|– 进程上下文，可以睡眠　　　　　GFP_KERNEL 　

|– 异常上下文，不可以睡眠　　　　GFP_ATOMIC 　

|　　|– 中断处理程序　　　　　　　GFP_ATOMIC 　

|　　|– 软中断　　　　　　　　　　GFP_ATOMIC 　

|　　|– Tasklet　　　　　　　　　GFP_ATOMIC 　

|– 用于DMA的内存，可以睡眠　　　GFP_DMA | GFP_KERNEL 　

|– 用于DMA的内存，不可以睡眠　　GFP_DMA |GFP_ATOMIC 　　

对应的内存释放函数为：

void kfree(const void *objp);
void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags)

2.2 vmalloc

void *vmalloc(unsigned long size);

　　vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存，因此对申请的内存大小没有限制，如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。

对应的内存释放函数为：

void vfree(const void *addr);

注意：vmalloc() 和 vfree() 可以睡眠，因此不能从异常上下文调用。

2.3 kmalloc & vmalloc 的比较

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的共同特点是：

用于申请内核空间的内存；
内存以字节为单位进行分配；
所分配的内存虚拟地址上连续；

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：

kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
kmalloc 可以保证分配的内存物理地址是连续的，但是 vmalloc 不能保证；
kmalloc 分配内存的过程可以是原子过程（使用 GFP_ATOMIC），而 vmalloc 分配内存时则可能产生阻塞；
kmalloc 分配内存的开销小，因此 kmalloc 比 vmalloc 要快；

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。

2.4 分配选择原则：

小内存（< 128k）用kmalloc,大内存用vmalloc或get_free_page
如果需要比较大的内存，并且要求使用效率较高时用get_free_page,否则用vmalloc

三、IO访问-------访问外设控制器的寄存器

访问外设控制器的寄存器两种方式：

IO端口：X86上用IO指令访问
IO内存：外设寄存器在SOC芯片手册上都有相应物理地址

IO内存访问接口：

static inline void __iomem *ioremap(unsigned long offset, unsigned long size)
/*
功能：实现IO管脚的映射
参数：offset:该管脚的偏移地址
     Size:该管脚映射空间的大小
返回值：成功返回映射的虚拟地址,失败NULL
*/

static inline void iounmap(volatile void __iomem *addr)
/*
功能：解除io管脚的映射
参数：addr:io管脚映射的地址
*/

unsigned readb(void *addr);//1字节   或ioread8(void *addr)
unsigned readw(void *addr);//2字节   或ioread16(void *addr)
unsigned readl(void *addr);//4字节   或ioread32(void *addr)
/*
功能：读取寄存器的值
参数：addr  地址
返回值：读到的数据
*/

void writeb(unsigned value, void *addr);//1字节   或iowrite8(u8 value, void *addr)
void writew(unsigned value, void *addr);//2字节  或iowrite16(u16 value, void *addr)
void writel(unsigned value, void *addr);//4字节  或iowrite32(u32 value, void *addr)
/*
 功能：向指定的寄存器中，写入数据。
 参数：value：待写入寄存器中的数据
      Address：寄存器的虚拟地址
*/

四、led驱动

读原理图
查阅SOC芯片手册

GPX2_7 led2 GPX2CON----0x11000C40---28~31-----0001 GPX2DAT-----0x11000C44-----7

GPX1_0 led3 GPX1CON----0x11000C20---0~3-----0001 GPX1DAT----0x11000C24-----0

GPF3_4 led4 GPF3CON----0x114001E0---16~19-----0001 GPF3DAT----0x114001E4-----4

GPF3_5 led5 GPF3CON----0x114001E0---20~23-----0001 GPF3DAT----0x114001E4-----5

五、示例

实现led驱动，点亮关闭led

leddrv.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/io.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/atomic.h>

#include "leddrv.h"

#define GPX1CON 0x11000C20
#define GPX1DAT 0x11000C24

#define GPX2CON 0x11000C40
#define GPX2DAT 0x11000C44

#define GPF3CON 0x114001E0
#define GPF3DAT 0x114001E4


int major = 11;
int minor = 0;
int myled_num  = 1;

struct myled_dev
{
	struct cdev mydev;

	volatile unsigned long *pled2_con;  
	volatile unsigned long *pled2_dat;
	
	volatile unsigned long *pled3_con;
	volatile unsigned long *pled3_dat;

	volatile unsigned long *pled4_con;
	volatile unsigned long *pled4_dat;

	volatile unsigned long *pled5_con;
	volatile unsigned long *pled5_dat;
/*
volatile 防止优化。对这块指针指向的内存，有时候cpu会把外设寄存器中的值读到内部寄存器中，方便下次读的时候更快.加了voltatile就不会优化，否则cpu可能会从内部寄存器中读取，而不是去外设寄存器中读取。
*/
};

struct myled_dev *pgmydev = NULL;


int myled_open(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
	pfile->private_data =(void *) (container_of(pnode->i_cdev,struct myled_dev,mydev));
	
	return 0;
}

int myled_close(struct inode *pnode,struct file *pfile)
{
	return 0;
}

void led_on(struct myled_dev *pmydev,int ledno)
{
	switch(ledno)
	{
		case 2:
			writel(readl(pmydev->pled2_dat) | (0x1 << 7),pmydev->pled2_dat);
			break;
		case 3:
			writel(readl(pmydev->pled3_dat) | (0x1),pmydev->pled3_dat);
			break;
		case 4:
			writel(readl(pmydev->pled4_dat) | (0x1 << 4),pmydev->pled4_dat);
			break;
		case 5:
			writel(readl(pmydev->pled5_dat) | (0x1 << 5),pmydev->pled5_dat);
			break;
	}
}

void led_off(struct myled_dev *pmydev,int ledno)
{
	switch(ledno)
	{
		case 2:
			writel(readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7)),pmydev->pled2_dat);
			break;
		case 3:
			writel(readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1)),pmydev->pled3_dat);
			break;
		case 4:
			writel(readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4)),pmydev->pled4_dat);
			break;
		case 5:
			writel(readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5)),pmydev->pled5_dat);
			break;
	}
}


long myled_ioctl(struct file *pfile,unsigned int cmd,unsigned long arg)
{
	struct myled_dev *pmydev = (struct myled_dev *)pfile->private_data;

	if(arg < 2 || arg > 5)
	{
		return -1;
	}
	switch(cmd)
	{
		case MY_LED_ON:
			led_on(pmydev,arg);
			break;
		case MY_LED_OFF:
			led_off(pmydev,arg);
			break;
		default:
			return -1;
	}

	return 0;
}

struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = myled_open,
	.release = myled_close,
	.unlocked_ioctl = myled_ioctl,
};

void ioremap_ledreg(struct myled_dev *pmydev)
{
	pmydev->pled2_con = ioremap(GPX2CON,4);
	pmydev->pled2_dat = ioremap(GPX2DAT,4);

	pmydev->pled3_con = ioremap(GPX1CON,4);
	pmydev->pled3_dat = ioremap(GPX1DAT,4);
	
	pmydev->pled4_con = ioremap(GPF3CON,4);
	pmydev->pled4_dat = ioremap(GPF3DAT,4);
	
	pmydev->pled5_con = pmydev->pled4_con; //最后一个led5不能remap，因为使用的是同一个组寄存器不同的位
	pmydev->pled5_dat = pmydev->pled4_dat;
}

void set_output_ledconreg(struct myled_dev *pmydev)
{
	writel((readl(pmydev->pled2_con) & (~(0xF << 28))) | (0x1 << 28),pmydev->pled2_con);
	writel((readl(pmydev->pled3_con) & (~(0xF))) | (0x1),pmydev->pled3_con);
	writel((readl(pmydev->pled4_con) & (~(0xF << 16))) | (0x1 << 16),pmydev->pled4_con);
	writel((readl(pmydev->pled5_con) & (~(0xF << 20))) | (0x1 << 20),pmydev->pled5_con);

	writel(readl(pmydev->pled2_dat) & (~(0x1 << 7)),pmydev->pled2_dat);
	writel(readl(pmydev->pled3_dat) & (~(0x1)),pmydev->pled3_dat);
	writel(readl(pmydev->pled4_dat) & (~(0x1 << 4)),pmydev->pled4_dat);
	writel(readl(pmydev->pled5_dat) & (~(0x1 << 5)),pmydev->pled5_dat);
}

void iounmap_ledreg(struct myled_dev *pmydev)
{
	iounmap(pmydev->pled2_con);
	pmydev->pled2_con = NULL;
	iounmap(pmydev->pled2_dat);
	pmydev->pled2_dat = NULL;

	iounmap(pmydev->pled3_con);
	pmydev->pled3_con = NULL;
	iounmap(pmydev->pled3_dat);
	pmydev->pled3_dat = NULL;
	
	iounmap(pmydev->pled4_con);
	pmydev->pled4_con = NULL;
	iounmap(pmydev->pled4_dat);
	pmydev->pled4_dat = NULL;
	
	pmydev->pled5_con = NULL;
	pmydev->pled5_dat = NULL;
}

int __init myled_init(void)
{
	int ret = 0;
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);

	/*申请设备号*/
	ret = register_chrdev_region(devno,myled_num,"myled");
	if(ret)
	{
		ret = alloc_chrdev_region(&devno,minor,myled_num,"myled");
		if(ret)
		{
			printk("get devno failed\n");
			return -1;
		}
		major = MAJOR(devno);//容易遗漏，注意
	}

	pgmydev = (struct myled_dev *)kmalloc(sizeof(struct myled_dev),GFP_KERNEL);
	if(NULL == pgmydev)
	{
		unregister_chrdev_region(devno,myled_num);
		printk("kmalloc failed\n");
		return -1;
	}
	memset(pgmydev,0,sizeof(struct myled_dev)); //这里的memset并非c库的函数，而是内核自己实现的memset函数

	/*给struct cdev对象指定操作函数集*/	
	cdev_init(&pgmydev->mydev,&myops);

	/*将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构里*/
	pgmydev->mydev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_add(&pgmydev->mydev,devno,myled_num);

	/*ioremap*/
	ioremap_ledreg(pgmydev);

	/*con-register set output*/
	set_output_ledconreg(pgmydev);

	return 0;
}

void __exit myled_exit(void)
{
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);

	/*iounmap*/
	iounmap_ledreg(pgmydev);

	cdev_del(&pgmydev->mydev);

	unregister_chrdev_region(devno,myled_num);

	kfree(pgmydev);
	pgmydev = NULL;
}


MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(myled_init);
module_exit(myled_exit);

leddrv.h

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include "leddrv.h"

int main(int argc,char *argv[])
{
	int fd = -1;
	int onoff = 0;
	int no = 0;

	if(argc < 4)
	{
		printf("The argument is too few\n");
		return 1;
	}

	sscanf(argv[2],"%d",&onoff);
	sscanf(argv[3],"%d",&no);

	if(no < 2 || no > 5)
	{
		printf("len-no is invalid\n");
		return 2;
	}

	fd = open(argv[1],O_RDONLY);
	if(fd < 0)
	{
		printf("open %s failed\n",argv[1]);
		return 3;
	}

	if(onoff)
	{
		ioctl(fd,MY_LED_ON,no);
	}
	else
	{
		ioctl(fd,MY_LED_OFF,no);
	}

	close(fd);
	fd = -1;
	return 0;
}

Makefile

ifeq ($(KERNELRELEASE),)

ifeq ($(ARCH),arm)
KERNELDIR ?= /home/linux/Linux_4412/kernel/linux-3.14
ROOTFS ?= /opt/4412/rootfs
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
endif
PWD := $(shell pwd)


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

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

clean:
	rm -rf  *.o  *.ko  .*.cmd  *.mod.*  modules.order  Module.symvers   .tmp_versions

else

CONFIG_MODULE_SIG=n
obj-m += mychar.o
obj-m += mychar_poll.o
obj-m += openonce_atomic.o
obj-m += openonce_spinlock.o
obj-m += mychar_sema.o
obj-m += mychar_mutex.o
obj-m += second.o
obj-m += leddrv.o

endif

testled_app.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

#include "leddrv.h"

int main(int argc,char *argv[])
{
	int fd = -1;
	int onoff = 0;
	int no = 0;

	if(argc < 4)
	{
		printf("The argument is too few\n");
		return 1;
	}

	sscanf(argv[2],"%d",&onoff);
	sscanf(argv[3],"%d",&no);

	if(no < 2 || no > 5)
	{
		printf("len-no is invalid\n");
		return 2;
	}

	fd = open(argv[1],O_RDONLY);
	if(fd < 0)
	{
		printf("open %s failed\n",argv[1]);
		return 3;
	}

	if(onoff)
	{
		ioctl(fd,MY_LED_ON,no);
	}
	else
	{
		ioctl(fd,MY_LED_OFF,no);
	}

	close(fd);
	fd = -1;
	return 0;
}

编译ko文件：