【内核内存管理、动态分配及IO访问、LED驱动】

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

在这里插入图片描述

内核地址空间划分图：
在这里插入图片描述

3G~3G+896M：低端内存，直接映射 虚拟地址 = 3G + 物理地址

​ 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：

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

kmalloc()、kzalloc()、vmalloc() 的区别是：

  1. kzalloc 是强制清零的 kmalloc 操作；（以下描述不区分 kmalloc 和 kzalloc）
  2. kmalloc 分配的内存大小有限制（128KB），而 vmalloc 没有限制；
  3. 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；
  4. 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；
  5. 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：

  1. 小内存（< 128k）用kmalloc,大内存用vmalloc或get_free_page
  2. 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

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两种方式：

  1. IO端口：X86上用IO指令访问
  2. 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

  1. 读原理图

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  2. 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

  3. 编写驱动

#define myled_DEV_CNT 3

#define GPX1CON 0X11000C20
#define GPX1DAT 0X11000C24

#define GPX2CON 0X11000C40
#define GPX2DAT 0X11000C44

#define GPF3CON 0X114001E0
#define GPF3DAT 0X114001E4

a. 设计设备数据类型

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;
};

b. 考虑需要支持的函数

   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;
	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;
}

c. 模块入口：ioremap + 设置成输出

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

  /*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(pgmydev==NULL)
  {
  	unregister_chrdev_region(devno,myled_num);
  	printk("kmalloc failed\n");
  	return -1;
  }
  memset(pgmydev,0,sizeof(struct myled_dev));

  /*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,1);

  //ioremap
  ioremap_ledreg(pgmydev);

  //con_register set output//
  set_output_ledconreg(pgmydev);
  return 0;
}

d. 模块出口：iounmap

 void __exit myled_exit(void)
{
	dev_t devno = MKDEV(major,minor);
	//int i = 0;

	cdev_del(&pgmydev->mydev);
 	iounmap_ledreg(pgmydev);

	unregister_chrdev_region(devno,myled_num);

	kfree(pgmydev);
	pgmydev=NULL;

}

e. 编写关灯函数和开灯函数，实现ioctl

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

  
  	switch (cmd)
  	{
  	case MY_LED_ON:
  		led_on(pmydev,arg);
  		break;
  	case MY_LED_OFF:
  		led_off(pmydev,arg);
  		break;	
  	default:
  		return -1;
  	}

}

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;
  }
}

驱动程序编译
make ARCH=arm

此外还需要编写一个存放ioctl的cmd的头文件 myled.h

#ifndef MY_LED_H
#define NY_LED_H

#define LED_DEV_MAGIC 'g'
#define MY_LED_OFF _IO(LED_DEV_MAGIC,0)
#define MY_LED_ON _IO(LED_DEV_MAGIC,1)

#endif

最后编写应用层测试程序 testled.c

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

#include "myled.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd=-11;
	int onoff=0;
	int no=0;

	sscanf(argv[2],"%d",&onoff);
	sscanf(argv[3],"%d",&no);
	if(no<2 || no>5)
	{
	printf("no is invalid.\n");
	return -1;
	}
	fd=open(argv[1],O_RDONLY);
	if(fd<0)
	{
	printf("open %s failed.\n",argv[1]);
	return 2;
	}
	if(onoff)
	{
	ioctl(fd,MY_LED_ON,no);
	}
	else
	{
	ioctl(fd,MY_LED_OFF,no);
	}

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

注意编译时要编写成可以在ARM架构的可执行文件
arm-none-linux-gnueabi-gcc ./testled.c -o testled -Wall

cp testled /opt/4412/rootfs/
cp myled.ko /opt/4412/rootfs/
拷贝到开发板的根文件系统
insmod ./myled.ko
mknod /dev/leddev c 11 0
./testled /dev/leddev 1 2 —LED2亮

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