浅谈“设备物理地址与虚拟地址在kernel中的映射”
linux-dash
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参考资料：
- Linux Kernel Source
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在编写设备驱动的时候，为什么有些设备地址可以直接拿来使用，而有些需要先映射才可使用。以下是我Track代码的一些经验。
1. 内存映射的几种情况。
第一种情况
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在平台的Linux启动过程中，平台底层源码会初始化一个IOTABLE。
通常的调用堆栈如下:
machine_XXX.map_io()->
iotable_init() ->
arch/arm/mm/mmu.c:alloc_init_section()
这里会把一组平台相关的物理地址(比如总线地址、设备基地址)映射到一组固定虚拟地址上，这组虚拟地址在整个内核空间可见，且从来不会被UNMAP。这个过程一般在平台初始化过程中被调用。平台厂商一般出厂前都会定义好自己的iotable，因此很多时候访问设备并不需要用户自己去做内存映射。
第二种情况
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驱动通过
ioremap_XXX()(定义位于"
arch/arm/include/asm/io.h")把物理地址映射成为虚拟地址。通过阅读代码'
arch/arm/mm/ioremap.c:__arm_ioremap_pfn()'，发现其流程大致如下：首先通过'
get_vm_area(size, VM_IOREMAP)'获取一个空闲的虚拟内存区域，然后通过
remap_area_section()把物理地址映射到这片内存区域。 对比
mmu.c:alloc_init_section() 和
ioremap.c:remap_area_sections()，发现他们的工作内容基本一致，唯一的区别就是每次ioremap返回的虚拟地址，是随机不固定的。
第三种情况
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在NOMMU的情况下，物理地址就是虚拟地址，"
arm/arm/mm/nommu.c:__arm_ioremap()"，此函数直接返回物理地址。
2. Samsung 6410 Kernel (linux-2.6.28), 映射连接在Xm0CSn1上的DM9000网卡基地址。
mach-smdk6410.c:smdk6410_map_io(smdk6410_iodesc) ->
plat-s3c64xx/cpu.c:s3c64xx_init_io():
iotable_init(s3c_iodesc, ARRAY_SIZE(s3c_iodesc));
iotable_init(mach_desc, size);
其中，s3c_iodesc数组包含了6410平台基本上所有模块的基地址映射，mach_desc则对应DMP9000的定义：
struct map_desc smdk6410_iodesc[] = {
{
.virtual = (u32)S3C64XX_VA_DM9000,
.pfn = __phys_to_pfn(S3C64XX_PA_DM9000),
.length = S3C64XX_SZ_DM9000,
.type = MT_DEVICE,
},
};
后续的DM9000驱动如何使用此虚拟地址，请看：
plat-s3c64xx/devs.c:
dm9000_resources_cs1
net/dm9000_con201.c:
if (pdev->num_resources == 2) {
base = pdev->resource[0].start;
if (!request_mem_region(base, 4, ndev->name)) {
ret = -EBUSY;
goto out;
}
ndev->base_addr = base;
ndev->irq = pdev->resource[1].start;
db->io_addr = (void __iomem *)base;
db->io_data = (void __iomem *)(base + DM9000_CMD);
}
可以看到，在iotable_init后，驱动再无映射同一物理地址。顺便提一下，此平台并没有提供自己的ioremap函数。它一直在使用arm平台的默认映射函数，其定义位于'
arch/arm/include/asm/io.h'。
3. OMAP3530 Kernel 'linux-omap-pm-2.6.38' 的ioremap函数实现。
查看源代码‘arch/arm/mach-omap2/io.c’:
iotable_init(omap34xx_io_desc, ARRAY_SIZE(omap34xx_io_desc));
// Map buses and devices base physical address:
.virtual = L3_34XX_VIRT,
.pfn = __phys_to_pfn(L3_34XX_PHYS),
.virtual = ...
.pfn = __phys_to_pfn(L4_34XX_PHYS),
.pfn = __phys_to_pfn(OMAP34XX_GPMC_PHYS),
.pfn = __phys_to_pfn(OMAP343X_SMS_PHYS),
.pfn = __phys_to_pfn(OMAP343X_SDRC_PHYS),
.pfn = __phys_to_pfn(L4_PER_34XX_PHYS),
.pfn = __phys_to_pfn(L4_EMU_34XX_PHYS),
.pfn = __phys_to_pfn(ZOOM_UART_BASE),
这里基本上映射了omap3530片內所有模块的设备基地址。后续ioremap的调用堆栈如下：
arch/arm/include/asm/io.h:250:#define ioremap_nocache(cookie,size) __arch_ioremap((cookie), (size), MT_DEVICE)
arch/arm/plat-omap/include/plat/io.h:298:#define __arch_ioremap omap_ioremap
arch/arm/plat-omap/io.c: void __iomem *omap_ioremap(unsigned long p, size_t size, unsigned int type)
if (BETWEEN(p, L3_34XX_PHYS, L3_34XX_SIZE))
return XLATE(p, L3_34XX_PHYS, L3_34XX_VIRT);
// #define XLATE(p,pst,vst) ((void __iomem *)((p) - (pst) + (vst)))
由此，此平台实现了自己的ioremap函数，它首先会检查需要映射的物理地址是否已经映射，如此则返回在iotable_init中已经映射了的虚拟地址。此举至少能节约系统的虚拟地址空间。
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