为什么Linux操作寄存器要ioremap

1. 原因

• 这里只考虑有 MMU 的芯片，Linux 为了实现进程虚拟地址空间，在启用 MMU 后，在内核中操作的都是虚拟地址，内核访问不到物理地址。
• 如果在驱动里直接访问物理地址，等于访问了一个非法地址，会导致内核崩溃，下面会有一个相关的小实验。
• 通过 ioremap 将物理地址映射为虚拟地址后，内核就能通过 ioremap() 返回的虚拟地址，以 虚拟地址->mmu页表映射-> 物理地址 的形式正确地访问到物理地址了。
• ARM Linux 引入设备树特性后，一些支持设备树的设备驱动不再使用直接 ioremap()，改用 drivers/of/address.c/of_iomap()，of_iomap() 的内部仍然会调用 ioremap()，例如：

clk-rk3288.c (driversclkrockchip)
static void rk3288_clk_init(struct device_node *np) {
    rk3288_cru_base = of_iomap(np, 0);
    [...]
}

2. ioremap() 实验

实验环境：

• Linux-4.14 + Allwinner/H3。

实验代码：

#include < linux/init.h >
#include < linux/module.h >
#include < linux/sched.h >
#include < asm/io.h >

#define USE_IOREMAP

#define H3_GPIO_BASE (0x01C20800)

static volatile unsigned long *gpio_regs = NULL;

static int __init ioremap_mod_init(void)
{

    int i = 0;
    printk(KERN_INFO "ioremap_mod initn");

#ifdef USE_IOREMAP
    gpio_regs = (volatile unsigned long *)ioremap(H3_GPIO_BASE, 1024);
#else
    gpio_regs = (volatile unsigned long *)H3_GPIO_BASE;
#endif

    for (i=0; i< 3; i++)
        printk(KERN_INFO "reg[%d] = %lxn", i, gpio_regs[i]);

    return 0;
}
module_init(ioremap_mod_init);

static void __exit ioremap_mod_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "ioremap_mod exitn ");

#ifdef USE_IOREMAP
    iounmap(gpio_regs);
#endif 
}

module_exit(ioremap_mod_exit);

MODULE_AUTHOR("es-hacker");
MODULE_LICENSE("GPL v2");

实验结果：

使用了 ioremap()

$ insmod ioremap
ioremap_mod init
reg[0] = 71227722
reg[1] = 33322177
reg[2] = 773373

未使用 ioremap():

$ insmod ioremap_mod.ko

Unable to handle kernel paging request at virtual address 01c20800
pgd = c9ece7c0
[01c20800] *pgd=6ddd7003, *pmd=00000000
Internal error: Oops: 206 [#1] SMP ARM
CPU: 1 PID: 1253 Comm: insmod Tainted: G           O    4.14.111 #116
Hardware name: sun8i
task: ef15d140 task.stack: edc50000
PC is at ioremap_mod_init+0x3c/0x1000 [ioremap_mod]
LR is at ioremap_mod_init+0x14/0x1000 [ioremap_mod]
pc : [< bf5d903c >]    lr : [< bf5d9014 >]    psr: 600e0013
sp : edc51df8  ip : 00000007  fp : 118fa95c
r10: 00000001  r9 : ee7056c0  r8 : bf5d6048
r7 : bf5d6000  r6 : 00000000  r5 : bf5d6200  r4 : 00000000
r3 : 01c20800  r2 : 01c20800  r1 : 00000000  r0 : bf5d5048
Flags: nZCv  IRQs on  FIQs on  Mode SVC_32  ISA ARM  Segment user
Control: 30c5387d  Table: 49ece7c0  DAC: b106c794
Process insmod (pid: 1253, stack limit = 0xedc50210)

[

3. ioremap() 的实现内幕

ioremap() 的实现内幕会涉及到比较多的内存管理的知识，这里我们抛开代码细节简单了解一下原理就好。

• ioremap() 将 vmalloc 区的某段虚拟内存块映射到 io memory，其实现原理与vmalloc() 类似，都是通过在 vmalloc 区分配虚拟地址块，然后修改内核页表的方式将其映射到设备的 I/O 地址空间。
• 与 vmalloc() 不同的是，ioremap 并不需要通过伙伴系统去分配物理页，因为ioremap 要映射的目标地址是 io memory，不是物理内存 (RAM)。

函数调用流程：

总结一下：

• 相关检查;
• 分配一个 vm_struct 结构体，内核在管理虚拟内存中的 vmalloc 区时,内核必须跟踪哪些子区域被使用、哪些是空闲的，对应的数据结构就是 vm_strcut。
• 初始化 vm_struct;
• 建立页表;