linux記憶體操作--ioremap和mmap學習筆記

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最近在做視頻輸出相關的東西，對於預留給framebuffer的記憶體使用量不是很清楚，現在找到一些資料整理一下，以備使用。

對於一個系統來講，會有很多的外設，那麼這些外設的管理都是通過CPU完成。那麼CPU在這個過程中是如何找到外設的呢？

儘管在一個系統中會有諸多的外設，在每個外設的介面電路中會有多個連接埠。但是如果系統能夠每個連接埠都被賦予一個具體的地址值，那麼在系統中就能輕易的找到任何一個外設。系統在管理的時候，不管是記憶體還是外設都需要分配一個記憶體位址。對於一個32bit的系統來講，可定址的範圍為2^32=4G的地址空間。

既然說到地址空間，就要明確地址空間的種類：物理地址、匯流排地址、虛擬位址。

（1）物理地址

CPU地址匯流排傳來的地址，由硬體電路控制其具體含義。物理地址中很大一部分是留給記憶體條中記憶體的，但也常被映射到其他儲存空間上（如顯存、bios等）。在程式指令中的虛擬位址經過段映射和頁面映射後，就產生了物理地址，這個物理地址被放到CPU的地址線上。

（2）匯流排地址

匯流排的地址線或在地址周期上產生的訊號。外設使用的是地址匯流排，cpu使用的是物理地址。

物理地址和匯流排地址之間的關係有系統設計決定的。在X86平台上，物理地址就是匯流排地址，這是因為它們共用相同的地址空間。在其他平台上，可能需要轉換/映射。

（3）虛擬位址

現代作業系統普遍採用虛擬記憶體管理（virtual memory management）機制，這需要MMU的支援。MMU通常是CPU的一部分，如果處理器沒有MMU，或者有MMU但沒有啟用，CPU執行單元發出的記憶體位址將直接傳到晶片引腳上，被記憶體晶片（實體記憶體）接收，這成為物理地址，如果處理器啟用了MMU,CPU執行單元發出的記憶體位址將被MMU截獲，從CPU到MMU的地址稱為虛擬位址，而MMU將這個地址翻譯成另一個地址發到CPU晶片的外部地址引腳上，也就是講虛擬位址映射成物理地址。

      linux中，進程的4GB記憶體分為使用者空間和核心空間。使用者空間分布為1~3GB剩下的1GB為核心空間。程式員只能使用虛擬位址。系統中每個進程有各自的私人使用者控制項（0~3GB），這個空間對系統中的其他進程是不可見的。

編址方式

  外設都是通過讀寫裝置上的寄存器來進行工作的，外設寄存器也稱為“IO連接埠”，而IO連接埠的編址方式有兩種，獨立編址和統一編址。

統一編址：外設介面中的IO寄存器（即IO連接埠）與主存單元一樣看待，每個連接埠佔用一個儲存單元的地址，將主存的一部分划出來用作IO地址空間。 統一編址的原理是將IO的連接埠地址儲存空間定址的地址空間範圍之內，此方法也成為儲存空間映像編址。CPU訪問一個連接埠的操作與訪問記憶體的操作相同，也使用訪問記憶體的指令。獨立編址是為連接埠地址單獨開闢一部分地址空間，其訪問指令也需要使用單獨的指令（不同於記憶體訪問指令）。

   根據CPU體繫結構的不同，CPU對IO連接埠的編址方式有兩種：

　　（1）I/O映射方式（I/O-mapped）
　　典型地，如X86處理器為外設專門實現了一個單獨的地址空間，稱為"I/O地址空間"或者"I/O連接埠空間"，CPU通過專門的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）來訪問這一空間中的地址單元。
　　（2）記憶體映射方式（Memory-mapped）
　　RISC指令系統的CPU（如ARM、PowerPC等）通常只實現一個物理地址空間，外設I/O連接埠成為記憶體的一部分。此時，CPU可以象訪問一個記憶體單元那樣訪問外設I/O連接埠，而不需要設立專門的外設I/O指令。
　　但是，這兩者在硬體實現上的差異對於軟體來說是完全透明的，驅動程式開發人員可以將記憶體映射方式的I/O連接埠和外設記憶體統一看作是"I/O記憶體"資源。
　一般來說，在系統運行時，外設的I/O記憶體資源的物理地址是已知的，由硬體的設計決定。但是CPU通常並沒有為這些已知的外設I/O記憶體資源的物理地址預定義虛擬位址範圍，驅動程式並不能直接通過物理地址訪問I/O記憶體資源，而必須將它們映射到核心虛地址空間內（通過頁表），然後才能根據映射所得到的核心虛位址範圍，通過訪內指令訪問這些I/O記憶體資源。
入口： 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空間的和許可權有關的標誌； 
功能： 將一個IO地址空間映射到核心的虛擬位址空間上去，便於訪問； 
實現：對要映射的IO地址空間進行判斷，低PCI/ISA地址不需要重新對應，也不允許使用者將IO地址空間映射到正在使用的RAM中，最後申請一 個 vm_area_struct結構，調用remap_area_pages填寫頁表，若填寫過程不成功則釋放申請的vm_area_struct空 間；
意義：
比如isa裝置和pci裝置，或者是fb，硬體的跳線或者是物理串連方式決定了硬體上的記憶體影射到的cpu物理地址。 
在核心訪問這些地址必須分配給這段記憶體以虛擬位址,這正是__ioremap的意義所在 ,需要注意的是,實體記憶體已經"存在"了,無需alloc page給這段地址了. 

為了使軟體訪問I/O記憶體,必須為裝置分配虛擬位址.這就是ioremap的工作.這個函數專門用來為I/O記憶體地區分配虛擬位址(空間).對於直接映射的I/O地址ioremap不做任何事情。有了ioremap(和iounmap),裝置就可以訪問任何I/O記憶體空間,不論它是否直接映射到虛擬位址空間.但是,這些地址永遠不能直接使用(指物理地址),而要用readb這種函數.

void * __ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags)