随着计算机技术的发展,人们发现单纯的I/O映射方式是不能满足要求的。此种方式只适合于早期的计算机技术,那时候一个外设通常都只有几个寄存器,通过这几个寄存器就可以完成对外设的所有操作了。而现在的情况却不大一样。例如,在PC机上可以插上一块图像卡,带有2MB的存储器,甚至还可能带有一块ROM,里面装有可执行代码。所以要将外设卡上的存储器映射到内存空间,实际上是虚拟空间的手段。在Linux内核中,这样的映射是通过函数ioremap()来建立的。
对于内存页面的管理,通常 我们都是先在虚拟空间分配一个虚拟空间,然后为此区间分配相应的物理内存页面并建立起映射。而且这样的映射也并不是一次就建立完毕,可以在访问这些虚拟页面引起页面异常时逐步地建立。
但是,ioremap()则不同,首先我们先有一个物理存储区间,其地址就是外设卡上的存储器出现在总线的地址(不是存储单元在外设卡上局部的物理地址)。在Linux系统中,CPU不能按物理地址来访问存储空间,而必须使用虚拟地址,所以必须”反向“地从物理地址出发找到一片虚拟空间并建立起映射。其次,这样的需求只发生于对外部设备的操作,而这是内核的事,所以相应的虚拟空间是在系统空间(3GB以上)。
我们先看ioremap,代码如下:
extern inline void * ioremap (unsigned long offset, unsigned long size)
{
return __ioremap(offset, size, 0);
}
__ioremap,代码如下:
void * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags)
{
void * addr;
struct vm_struct * area;
unsigned long offset, last_addr;
/* Don't allow wraparound or zero size */
last_addr = phys_addr + size - 1;
if (!size || last_addr < phys_addr)
return NULL;
/*
* Don't remap the low PCI/ISA area, it's always mapped..
*/
if (phys_addr >= 0xA0000 && last_addr < 0x100000)
return phys_to_virt(phys_addr);
/*
* Don't allow anybody to remap normal RAM that we're using..
*/
if (phys_addr < virt_to_phys(high_memory)) {
char *t_addr, *t_end;
struct page *page;
t_addr = __va(phys_addr);
t_end = t_addr + (size - 1);
for(page = virt_to_page(t_addr); page <= virt_to_page(t_end); page++)
if(!PageReserved(page))
return NULL;
}
//我们假设符合条件,执行到这里
/*
* Mappings have to be page-aligned
*/
offset = phys_addr & ~PAGE_MASK;
phys_addr &= PAGE_MASK;//物理地址
size = PAGE_ALIGN(last_addr) - phys_addr; //从起始物理地址到结束共多少个字节
/*
* Ok, go for it..
*/
area = get_vm_area(size, VM_IOREMAP);//在vmlist_lock找出合适的虚拟地址,并将vm_struct插入vmlist_lock
if (!area)
return NULL;
addr = area->addr;//虚拟地址
if (remap_area_pages(VMALLOC_VMADDR(addr), phys_addr, size, flags)) {//建立虚拟地址和物理地址之间的映射
vfree(addr);
return NULL;
}
return (void *) (offset + (char *)addr);//返回的是虚拟地址加上物理页面的后12位偏移
}
get_vm_area,在vmlist_lock找出合适的虚拟地址,并将vm_struct插入vmlist_lock,代码如下:
struct vm_struct * get_vm_area(unsigned long size, unsigned long flags)
{
unsigned long addr;
struct vm_struct **p, *tmp, *area;
area = (struct vm_struct *) kmalloc(sizeof(*area), GFP_KERNEL);
if (!area)
return NULL;
size += PAGE_SIZE;
addr = VMALLOC_START;
write_lock(&vmlist_lock);
for (p = &vmlist; (tmp = *p) ; p = &tmp->next) {//在vmlist_lock找出合适的虚拟地址
if ((size + addr) < addr) {
write_unlock(&vmlist_lock);
kfree(area);
return NULL;
}
if (size + addr < (unsigned long) tmp->addr)
break;
addr = tmp->size + (unsigned long) tmp->addr;
if (addr > VMALLOC_END-size) {
write_unlock(&vmlist_lock);
kfree(area);
return NULL;
}
}
area->flags = flags;
area->addr = (void *)addr;//虚拟地址
area->size = size;//大小
area->next = *p;//将vm_struct插入vmlist_lock
*p = area;
write_unlock(&vmlist_lock);
return area;
}
其中,vm_struct 结构如下:
struct vm_struct {
unsigned long flags;
void * addr;
unsigned long size;
struct vm_struct * next;
};
struct vm_struct * vmlist;
回到__ioremap,开始执行remap_area_pages,建立虚拟地址和物理地址之间的映射,代码如下:
static int remap_area_pages(unsigned long address, unsigned long phys_addr,
unsigned long size, unsigned long flags)//address为虚拟地址,phys_addr为物理地址
{
pgd_t * dir;
unsigned long end = address + size;
phys_addr -= address;//减去address,后来又加上了address
dir = pgd_offset(&init_mm, address);//指向页目录项
flush_cache_all();
if (address >= end)
BUG();
do {
pmd_t *pmd;
pmd = pmd_alloc_kernel(dir, address);//中转一下,还是指向页目录项
if (!pmd)
return -ENOMEM;
if (remap_area_pmd(pmd, address, end - address,
phys_addr + address, flags))//end-address为大小,phys_addr + address是物理地址
return -ENOMEM;
address = (address + PGDIR_SIZE) & PGDIR_MASK;
dir++;//指向下一个页目录项
} while (address && (address < end));
flush_tlb_all();
return 0;
}
remap_area_pmd,代码如下:
static inline int remap_area_pmd(pmd_t * pmd, unsigned long address, unsigned long size,
unsigned long phys_addr, unsigned long flags)
{
unsigned long end;
address &= ~PGDIR_MASK;
end = address + size;
if (end > PGDIR_SIZE)
end = PGDIR_SIZE;
phys_addr -= address;
if (address >= end)
BUG();
do {
pte_t * pte = pte_alloc_kernel(pmd, address);//指向了页表项
if (!pte)
return -ENOMEM;
remap_area_pte(pte, address, end - address, address + phys_addr, flags);//end-address为大小,phys_addr + address是物理地址
address = (address + PMD_SIZE) & PMD_MASK;
pmd++;//指向下一个页目录项
} while (address && (address < end));
return 0;
}
static inline void remap_area_pte(pte_t * pte, unsigned long address, unsigned long size,
unsigned long phys_addr, unsigned long flags)
{
unsigned long end;
address &= ~PMD_MASK;
end = address + size;
if (end > PMD_SIZE)
end = PMD_SIZE;
if (address >= end)
BUG();
do {
if (!pte_none(*pte)) {
printk("remap_area_pte: page already exists\n");
BUG();
}
set_pte(pte, mk_pte_phys(phys_addr, __pgprot(_PAGE_PRESENT | _PAGE_RW |
_PAGE_DIRTY | _PAGE_ACCESSED | flags)));//页表项指向对应的页面,且页面的属性被设置为_PAGE_PRESENT,_PAGE_RW,_PAGE_DIRTY,_PAGE_ACCESSED
address += PAGE_SIZE;
phys_addr += PAGE_SIZE;
pte++;//指向下一个页表项
} while (address && (address < end));
}
回到__ioremap,最后返回的是虚拟地址加上物理页面的后12位偏移为最终的虚拟地址,前面已经建立了映射(页目录项和页表项),这样,根据这个虚拟地址就可以访问到物理地址的第一行代码。
由于内核mm_struct结构init_mm是单独的,从任何一个进程的task结构中都到达不了init_mm。所以,kswapd根本就看不到init_mm中的虚拟区间,这些区间的页面就自然不会被换出而常驻内存。