From: http://blog.csdn.net/do2jiang/article/details/5450839
幾乎每一種外設都是通過讀寫設備上的寄存器來進行的，通常包括控制寄存器、狀態寄存器和數據寄存器三大類，外設的寄存器通常被連續地編址。根據CPU體系結構的不同，CPU對IO端口的編址方式有兩種：
（1）I/O映射方式（I/O-mapped）
典型地，如X86處理器爲外設專門實現了一個單獨的地址空間，稱爲"I/O地址空間"或者"I/O端口空間"，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）內存映射方式（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端口成爲內存的一部分。此時，CPU可以象訪問一個內存單元那樣訪問外設I/O端口，而不需要設立專門的外設I/O指令。
但是，這兩者在硬件實現上的差異對於軟件來說是完全透明的，驅動程序開發人員可以將內存映射方式的I/O端口和外設內存統一看作是"I/O內存"資源。
一般來說，在系統運行時，外設的I/O內存資源的物理地址是已知的，由硬件的設計決定。但是CPU通常並沒有爲這些已知的外設I/O內存資源的物理地址預定義虛擬地址範圍，驅動程序並不能直接通過物理地址訪問I/O內存資源，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地址範圍，通過訪內指令訪問這些I/O內存資源。Linux在io.h頭文件中聲明瞭函數ioremap（），用來將I/O內存資源的物理地址映射到核心虛地址空間（3GB－4GB）中，原型如下：
| void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags); |
iounmap函數用於取消ioremap（）所做的映射，原型如下：
| void iounmap(void * addr); |
這兩個函數都是實現在mm/ioremap.c文件中。
在將I/O內存資源的物理地址映射成核心虛地址後，理論上講我們就可以象讀寫RAM那樣直接讀寫I/O內存資源了。爲了保證驅動程序的跨平臺的可移植性，我們應該使用Linux中特定的函數來訪問I/O內存資源，而不應該通過指向核心虛地址的指針來訪問。如在x86平臺上，讀寫I/O的函數如下所示：
| #define readb(addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr)) #define readw(addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr)) #define readl(addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr)) #define writeb(b,addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr) = (b)) #define writew(b,addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr) = (b)) #define writel(b,addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr) = (b)) #define memset_io(a,b,c) memset(__io_virt(a),(b),(c)) #define memcpy_fromio(a,b,c) memcpy((a),__io_virt(b),(c)) #define memcpy_toio(a,b,c) memcpy(__io_virt(a),(b),(c)) |
最後，我們要特別強調驅動程序中mmap函數的實現方法。用mmap映射一個設備，意味着使用戶空間的一段地址關聯到設備內存上，這使得只要程序在分配的地址範圍內進行讀取或者寫入，實際上就是對設備的訪問。
筆者在Linux源代碼中進行包含"ioremap"文本的搜索，發現真正出現的ioremap的地方相當少。所以筆者追根索源地尋找I/O操作的物理地址轉換到虛擬地址的真實所在，發現Linux有替代ioremap的語句，但是這個轉換過程卻是不可或缺的。
譬如我們再次摘取S3C2410這個ARM芯片RTC（實時鐘）驅動中的一小段：
| static void get_rtc_time(int alm, struct rtc_time *rtc_tm) { spin_lock_irq(&rtc_lock); if (alm == 1) { rtc_tm->tm_year = (unsigned char)ALMYEAR & Msk_RTCYEAR; rtc_tm->tm_mon = (unsigned char)ALMMON & Msk_RTCMON; rtc_tm->tm_mday = (unsigned char)ALMDAY
& Msk_RTCDAY; rtc_tm->tm_hour = (unsigned char)ALMHOUR & Msk_RTCHOUR; rtc_tm->tm_min = (unsigned char)ALMMIN & Msk_RTCMIN; rtc_tm->tm_sec = (unsigned char)ALMSEC & Msk_RTCSEC; } else { read_rtc_bcd_time: rtc_tm->tm_year = (unsigned char)BCDYEAR
& Msk_RTCYEAR; rtc_tm->tm_mon = (unsigned char)BCDMON & Msk_RTCMON; rtc_tm->tm_mday = (unsigned char)BCDDAY & Msk_RTCDAY; rtc_tm->tm_hour = (unsigned char)BCDHOUR & Msk_RTCHOUR; rtc_tm->tm_min = (unsigned char)BCDMIN & Msk_RTCMIN; rtc_tm->tm_sec
= (unsigned char)BCDSEC & Msk_RTCSEC; if (rtc_tm->tm_sec == 0) { /* Re-read all BCD registers in case of BCDSEC is 0. See RTC section at the manual for more info. */ goto read_rtc_bcd_time; } } spin_unlock_irq(&rtc_lock); BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_year); BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_mon); BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_mday); BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_hour); BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_min); BCD_TO_BIN(rtc_tm->tm_sec); /* The epoch of tm_year is 1900 */ rtc_tm->tm_year += RTC_LEAP_YEAR - 1900; /* tm_mon starts at 0, but rtc month starts at 1 */ rtc_tm->tm_mon--; } |
I/O操作似乎就是對ALMYEAR、ALMMON、ALMDAY定義的寄存器進行操作，那這些宏究竟定義爲什麼呢？
| #define ALMDAY bRTC(0x60) #define ALMMON bRTC(0x64) #define ALMYEAR bRTC(0x68) |
其中藉助了宏bRTC，這個宏定義爲：
| #define bRTC(Nb) __REG(0x57000000 + (Nb)) |
其中又藉助了宏__REG，而__REG又定義爲：
| # define __REG(x) io_p2v(x) |
最後的io_p2v纔是真正"玩"虛擬地址和物理地址轉換的地方：
| #define io_p2v(x) ((x) | 0xa0000000) |
與__REG對應的有個__PREG：
| # define __PREG(x) io_v2p(x) |
與io_p2v對應的有個io_v2p：
| #define io_v2p(x) ((x) & ~0xa0000000) |
可見有沒有出現ioremap是次要的，關鍵問題是有無虛擬地址和物理地址的轉換！
下面的程序在啓動的時候保留一段內存，然後使用ioremap將它映射到內核虛擬空間，同時又用remap_page_range映射到用戶虛擬空間，這樣一來，內核和用戶都能訪問。如果在內核虛擬地址將這段內存初始化串"abcd"，那麼在用戶虛擬地址能夠讀出來：
| /************mmap_ioremap.c**************/ #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/errno.h> #include <linux/mm.h> #include <linux/wrapper.h> /* for mem_map_(un)reserve */ #include <asm/io.h> /* for virt_to_phys */ #include <linux/slab.h>
/* for kmalloc and kfree */ MODULE_PARM(mem_start, "i"); MODULE_PARM(mem_size, "i"); static int mem_start = 101, mem_size = 10; static char *reserve_virt_addr; static int major; int mmapdrv_open(struct inode *inode, struct file *file); int mmapdrv_release(struct inode *inode, struct file *file); int mmapdrv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma); static struct file_operations mmapdrv_fops = { owner: THIS_MODULE, mmap: mmapdrv_mmap, open: mmapdrv_open, release: mmapdrv_release, }; int init_module(void) { if ((major = register_chrdev(0, "mmapdrv", &mmapdrv_fops)) < 0) { printk("mmapdrv: unable to register character device/n"); return ( - EIO); } printk("mmap device major = %d/n", major); printk("high memory physical address 0x%ldM/n", virt_to_phys(high_memory) / 1024 / 1024); reserve_virt_addr = ioremap(mem_start *1024 * 1024, mem_size *1024 * 1024); printk("reserve_virt_addr = 0x%lx/n", (unsigned long)reserve_virt_addr); if (reserve_virt_addr) { int i; for (i = 0; i < mem_size *1024 * 1024; i += 4) { reserve_virt_addr[i] = 'a'; reserve_virt_addr[i + 1] = 'b'; reserve_virt_addr[i + 2] = 'c'; reserve_virt_addr[i + 3] = 'd'; } } else { unregister_chrdev(major, "mmapdrv"); return - ENODEV; } return 0; } /* remove the module */ void cleanup_module(void) { if (reserve_virt_addr) iounmap(reserve_virt_addr); unregister_chrdev(major, "mmapdrv"); return ; } int mmapdrv_open(struct inode *inode, struct file *file) { MOD_INC_USE_COUNT; return (0); } int mmapdrv_release(struct inode *inode, struct file *file) { MOD_DEC_USE_COUNT; return (0); } int mmapdrv_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma) { unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT; unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start; if (size > mem_size *1024 * 1024) { printk("size too big/n"); return ( - ENXIO); } offset = offset + mem_start * 1024 * 1024; /* we do not want to have this area swapped out, lock it */ vma->vm_flags |= VM_LOCKED; if (remap_page_range(vma, vma->vm_start, offset, size, PAGE_SHARED)) { printk("remap page range failed/n"); return - ENXIO; } return (0); } |
remap_page_range函數的功能是構造用於映射一段物理地址的新頁表，實現了內核空間與用戶空間的映射，其原型如下：
| int remap_page_range(vma_area_struct *vma, unsigned long from, unsigned long to, unsigned long size, pgprot_tprot); |
使用mmap最典型的例子是顯示卡的驅動，將顯存空間直接從內核映射到用戶空間將可提供顯存的讀寫效率。
（在內核驅動程序的初始化階段，通過ioremap（）將物理地址映射到內核虛擬空間；在驅動程序的mmap系統調用中，使用remap_page_range()將該塊ROM映射到用戶虛擬空間。這樣內核空間和用戶空間都能訪問這段被映射後的虛擬地址。）
