Linux驱动虚拟地址和物理地址的映射

Posted 2020-10-09 专注it

一般情况下，Linux系统中，进程的4GB内存空间被划分成为两个部分------用户空间和内核空间，大小分别为0~3G，3~4G。

 

用户进程通常情况下，只能访问用户空间的虚拟地址，不能访问到内核空间。

 

每个进程的用户空间都是完全独立、互不相干的，用户进程各自有不同的页表。而内核空间是由内核负责映射，它并不会跟着进程改变，是固定的。内核空间地址有自己对应的页表，内核的虚拟空间独立于其他程序。

 

3~4G之间的内核空间中，从低地址到高地址依次为：物理内存映射区—隔离带—vmalloc虚拟内存分配区—隔离带—高端内存映射区—专用页面映射区—保留区。

 

 

【内核空间内存动态申请】

主要包括三个函数：kmalloc(), __get_free_pages, vmalloc。

kmalloc(), __get_free_pages申请的内存位于物理地址映射区，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因此存在较简单的转换关系。而vmalloc申请的内存位于vmalloc虚拟内存分配区（这些区都是以线性地址为度量），它在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，实质上，这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续，而vmalloc申请的虚拟内存和物理内存之间也没有简单的换算关系。

 

因为vmalloc申请的在虚拟内存空间连续的内存区在物理内存中并不一定连续，可以想象为了完成vmalloc，新的页表需要被建立，因此，知识调用vmalloc来分配少量内存是不妥的。

一般来讲，kmalloc用来分配小于128K的内存，而更大的内存块需要用vmalloc来实现。

 

【虚拟地址与物理地址关系】

对于内核物理内存映射区的虚拟内存（用kmalloc(), __get_free_pages申请的），使用virt_to_phys()和phys_to_virt()来实现物理地址和内核虚拟地址之间的互相转换。它实际上，仅仅做了3G的地址移位。

 

上述方法适用于常规内存（内核物理内存映射区），高端内存的虚拟地址与物理地址之间不存在如此简单的换算关系。因为它涉及到了分离物理页的页表控制机制。  

 

【ioremap】

在ARM中，设备的寄存器或者存储块的这部分空间属于内存空间的一部分，我们称之为IO内存。

 

在内核中访问IO内存之前，我们只有IO内存的物理地址，这样是无法通过软件直接访问的，需要首先用ioremap()函数将设备所处的物理地址映射到内核虚拟地址空间（3GB~4GB）。然后，才能根据映射所得到的内核虚拟地址范围，通过访问指令访问这些IO内存资源。

 

在将I/O内存资源的物理地址映射成核心虚地址后，理论上讲我们就可以象读写RAM那样直接读写I/O内存资源了。为了保证驱动程序的跨平台的可移植性，我们应该使用Linux中特定的函数来访问I/O内存资源，而不应该通过指向核心虚地址的指针来访问。

 

【mmap】

用mmap映射一个设备，意味着使用户空间的一段地址关联到设备内存上，这使得只要程序在分配的地址范围内进行读取或者写入，实际上就是对设备的访问。这种数据传输是直接的，不需要用到内核空间作为数据转移的中间站。

 

remap_page_range函数的功能是构造用于映射一段物理地址的新页表，实现了内核空间与用户空间的映射。

 

在内核驱动程序的初始化阶段，通过ioremap（）将物理地址映射到内核虚拟空间；在驱动程序的mmap系统调用中，使用remap_page_range()将该块ROM映射到用户虚拟空间。这样内核空间和用户空间都能访问这段被映射后的虚拟地址。

 

Ioremap：

进程空间?内核空间?IO内存

其中，后面两个指的是同一段物理内存区域，只是一个为虚拟地址，一个为物理地址。进程空间和内核空间对应着不同的物理地址，它们之间的数据传递，是实际的数据的拷贝。

 

Mmap：

进程空间?IO内存

其中，进程空间mmap得到的那段虚拟地址跟IO内存对应着同一段物理地址。这个过程没有额外的数据中转，读写都直接针对硬件的物理地址进行。

 

一般来讲，小数据量的传输用ioremap()就足够了，

 

【IO内存的一般访问方法】

1.       首先是调用request_mem_region()申请资源，即告诉内核，本驱动正在使用这段物理内存，其他驱动不得访问它们。在设备驱动模块加载或open()函数中进行。

2.       接着讲寄存器地址通过ioremap()映射到内核空间虚拟地址，之后就可以通过Linux设备访问编程接口访问这些设备的寄存器了。在设备驱动初始化、write(),read(),ioctl()函数中进行。

3.       访问完成之后，应对ioremap()申请的虚拟地址进行释放，并释放release_mem_region()申请的IO内存资源。在设备驱动模块卸载或release()函数中进行。