内存与 I/O 端口

内存与 I/O 端口是 Linux 驱动设备开发经常用到的两个概念，编写驱动程序大多数情况 下都是对内存和 I/O 端口的操作。下面将分别介绍内存和 I/O 端口在 Linux 设备驱动程序中 的使用。

5.3.1.1 内存

void *kmalloc(size_t size, int flags);

void kfree(void *obj);

这两个函数被声名在内核源码<include/linux/slab.h>文件中，设备驱动程序作为内核的一 部分，不能使用虚拟内存，必须利用内核提供的 kmalloc 与 kfree 来申请和释放内核存储空 间。Kmalloc 带两个参数，第一个参数（size）是要申请的是内存数量；第二个参数（flags）

用来控制 kmalloc 的优先权。其中 flags 参数的经常有以下几种：

ü GFP_KERNEL：它的意思是该内存分配(内部是通过调用 get_free_pages 来实现的，

所以名字中带 GFP)是由运行在内核态的进程调用的。也就是说，调用它的函数是属 于某个进程的，使用 GFP_KERNEL 优先允许 kmalloc 函数在系统空闲内存低于水平 线 min_free_pages 时延迟分配函数的返回。当空闲内存太少时，kmalloc 函数会使当 前进程进入 sleep（睡眠）*（注 2）状态，等待空闲页的出现。

ü GFP_ATOMIC：并非使用 GFP_KERNEL 优先权后一定正确，有时 kmalloc 是在进程 上下文之外调用的－一比如在中断处理，任务队列处理和内核定时器处理时发生。这

ü GFP_USER：用来分配内存给用户空间的页，当空闲内存太少时，kmalloc 函数会使 当前进程进入 sleep 状态，等待空闲页的出现。

ü GFP_HIGHUSER：类似 GFP_USER，只是从高处分配内存。

ü GFP_NOIO：类似 GFP_KERNEL，只是增加了禁止任何 I/O 初始化的限制。

ü GFP_NOFS：类似 GFP_KERNEL，不允许执行任何文件系统的调用。

*注 2：睡眠（sleep）是一个非常重要的概念在设备驱动程序开发中，当一个进程被置入 sleep 状态时，它

会被标记为一种特殊状态并从调度器的运行队列中移走，直到某些情况下修改了这个状态，进程才会在 CPU

上调度，也就是运行该进程。进入 sleep 状态的进程会被搁置在一边，等待将来的某个事件发生。

关于 kmalloc 与 kfree 的具体实现，可参考内核源程序中的<include/linux/slab.h>文件。

如果希望分配大一点的内存空间，内核会利用一个更好的面向页的机制，分配页的相关函数 有以下三个，这三个函数的定义在<mm/ page_alloc.c>文件中。

ü get_zeroed_page(unsigned int gfp_mask);

该函数的作用是申请一个新的页，初始化该页的值为零，并返回页的指针。

ü _ _get_free_page(unsigned int flags);

该函数类似于 get_zeroed_page，但是它不初始化页的值为零。

ü _ _get_free_pages(unsigned int flags, unsigned int order);

该函数类似于_ _get_free_page，但是它可以申请多个页，并且返回的是第一个页的指 针。

再介绍一个内存相关的重要概念，虚拟内存空间的分配，以上介绍的内存分配函数都是 针对实际的物理内存而言的，但在 Linux 系统中经常会使用虚拟内存的技术，虚拟内存通俗 的说就是系统在硬盘上建立的缓冲区，它并不是真正的实际内存，是计算机使用的临时存储 器，用来运行所需内存大于计算机具有的内存的程序。说到虚拟内存，首先需要说明一下 Linux 的地址类型，Linux 通常有以下几种地址类型：

ü 用户虚拟地址

这类地址是用户空间编程的常规地址，该地址通常是 32 或 64 位，它依赖于使用的硬 件体系结构，并且每一个进程有其自己的用户空间。

ü 物理地址

这类地址是用在处理器和系统内存之间的地址，该地址通常是 32 或 64 位，在有些情 况下，32 位系统可以使用更大的物理地址。

ü 总线地址

这类地址用在外围总线和内存之间，通常它们和被 CPU 使用的物理地址一样。一些 体系结构可以提供一个 I/O 内存管理单元（I/OMMU），它可以重新映射地址在总线 和主存之间。总线地址是与体系结构密不可分的。

ü 内核逻辑地址

该类地址是由普通的内核地址空间组成，这些地址映射一部分或全部主存，并且经常 被对待如同物理地址。在许多体系结构下，逻辑地址和物理地址之间只是差别一个恒 定的偏移量。逻辑地址通常储存一些变量类型，如 long, int,void*等。利用 kmalloc 可 以申请返回一个内核逻辑地址。

ü 内核虚拟地址

在从内核空间地址映射到物理地址时，内核虚拟地址与内核逻辑地址类似。内核虚拟 地址并不一定是线性的，一对一的映射到物理地址。所有的逻辑地址都是内核虚拟地 址，但是许多内核虚拟地址却不是逻辑地址。内核虚拟地址通常储存在指针变量中。

这五种地址类型经常被使用在 Linux 系统中，如图 5.2 给出了这几种地址在系统中的逻 辑关系。

图 5.2 Linux 系统中的地址类型

如果你有一个逻辑地址，通过宏__pa(x)可以得到相应的物理地址，另外，通过宏__va(x) 可以计算获得物理地址对应的逻辑地址。这两个宏被定义在<include/asm/page.h>中，具体定 义如下：

#define __pa(x) ((unsigned long) (x) - PAGE_OFFSET)

#define __va(x) ((void *)((unsigned long) (x) + PAGE_OFFSET)) 其中 PAGE_OFFSET 会根据平台的不同定义也就会不同。

现在让我们来学习虚拟内存分配相关的知识，虚拟内存分配函数通常是 vmalloc（也有 vmalloc_32 和__vmalloc），它分配虚拟地址空间的连续区域。尽管这段区域在物理上可能是 不连续的，内核却认为它们在地址上是连续的。分配的内存空间被映射进入内核数据段中，

对用户空间是不可见的，这一点上与其他分配技术不同。Vmalloc 和其相关函数的原型如下 所示，这些函数被包含在<include/linux/vmalloc.h>头文件中。

ü void* vmalloc(unsigned long size);

该函数的作用是申请 size 大小的虚拟内存空间，发生错误时返回 0，成功时返回一个 指向一个大小为 size 的线性地址空间的指针。参数 size 为申请内存的大小。

ü void vfree(void* addr);

该函数的作用是释放一个由 vmalloc（vmalloc_32 或__vmalloc）函数申请内存，释放 的内存基地址为 addr。

ü void *vmap(struct page **pages, unsigned int count, unsigned long flags, pgprot_t prot);

该函数的作用是映射一个数组（其内容为页）到连续的虚拟空间中。第一个参数 pages 为指向页数组的指针，第二个参数 count 为要映射页的个数，第三个参数 flags 为传 递 vm_area->flags 值，第四个参数 prot 为映射时页保护。

ü void vunmap(void *addr);

该函数的作用是释放由 vmap 映射的虚拟内存，释放从 addr 地址开始的连续的虚拟区 用户进程

用户虚拟地址

用户进程 用户虚拟地址

高内存 低内存

内核虚拟地址

内核逻辑地址

物理内存 地址空间

页映射

域。 分配一大块连续的用于缓冲的内存区域。注意 vmalloc 的开销要比__get_free_pages 大，因为 它处理获取内存还要建立页表。因此，不值得用 vmalloc 函数只分配一页的内存空间。

ü check_region(unsigned long s, unsigned long n);

该函数作用是察看系统的 I/O 表，看是否有别的驱动程序占用某一段 I/O 口。第一个 参数 s 是 I/O 端口的基地址；第二个参数是 I/O 端口占用的范围。返回值为 0 时表示 没有占用，非 0 时表示已经被占用。

ü request_region(start,n,name);

该函数的作用是如果这段 I/O 端口没有被占用，在我们的驱动程序中就可以使用它。 ARM，PowerPC 等）通常只实现一个物理地址空间，外设 I/O 端口成为了内存的一部分，

此时 CPU 访问 I/O 端口就像访问一个内存单元不需要单独的 I/O 指令。这两种方式在硬件

ü inb(unsigned long port)；

按字节(8 位宽度)读端口。参数 port 为要读取的端口号。参数 port 在一些平台上定义 为 unsigned long，而在另一些平台上定义为 unsigned short。不同平台上 inb 返回值的

类型也不相同。

ü outb(unsigned long value, unsigned long port);

按字节(8 位宽度)写端口。第一个参数 value 是要写进端口的值，第二个参数 port 为 要写的端口号。

ü inw(unsigned long port);

按字(16 位宽度)读端口。参数 port 为要读取的端口号。

ü outw(unsigned long value, unsigned long port);

按字(16 位宽度)写端口。第一个参数 value 是要写进端口的值，第二个参数 port 为要 写的端口号。

ü inl(unsigned long port)

按双字(32 位宽度)读端口。参数 port 为要读取的端口号。

ü outb(unsigned long value, unsigned long port)

按双字(32 位宽度)写端口。第一个参数 value 是要写进端口的值，第二个参数 port 为 要写的端口号。

第二类 I/O 端口操作函数是基于内存映射方式的，常用函数如下：

ü readb(const volatile void __iomem *addr);

按字节(8 位宽度)读指定地址单元。参数 addr 为要读取的内存地址。

ü writeb(unsigned char b, volatile void __iomem *addr);

按字节(8 位宽度)写数据到指定地址单元。第一个参数 b 为要写的值，第二个参数 addr 为要写到的内存地址。

ü readw(const volatile void __iomem *addr)

与 readb 类似，只是按字(16 位宽度)读指定地址单元。参数 addr 为要读取的内存地址。

ü writew(unsigned short b, volatile void __iomem *addr);

与 writeb 类似，只是按字(16 位宽度)写到指定地址单元。第一个参数 b 为要写的值，

第二个参数 addr 为要写到的内存地址。

ü readl(const volatile void __iomem *addr);

与 readb 类似，只是按双字(32 位宽度)读指定地址单元。参数 addr 为要读取的内存地 址。

ü writel(unsigned int b, volatile void __iomem *addr);

与 writeb 类似，只是按双字(32 位宽度)写到指定地址单元。第一个参数 b 为要写的值，

第二个参数 addr 为要写到的内存地址。

总之，内存与 I/O 端口是 Linux 驱动程序开发中非常重要的两个概念，所以希望读者对 他们有较深入的理解，以便更好的学习 Linux 设备驱动程序开发。