linux kernel 如何处理大小端

Posted 2020-07-19 什么都没有

暂时在用MPC8309,不太清楚大小端内核是什么时候给转的。

今天看了关于readl和writel具体实现的文章

今天就主要来分析下readl/writel如何实现高效的数据swap和寄存器读写。我们就以readl为例，针对big-endian处理器，如何来对寄存器数据进行处理。

kernel下readl定义如下，在include/asm-generic/io.h

#define readw(addr) __le32_to_cpu(__raw_readw(addr))

 __raw_readl是最底层的寄存器读写函数，很简单，就从直接获取寄存器数据。来看__le32_to_cpu的实现，该函数针对字节序有不同的实现，对于小端处理器，在./include/linux/byteorder/little_endian.h中，如下：

#define __le32_to_cpu(x) ((__force __u32)(__le32)(x))  

相当于什么都没做。而对于大端处理器，在./include/linux/byteorder/big_endian.h中，如下：

 #define __le32_to_cpu(x) __swab32((__force __u32)(__le32)(x))  

看字面意思也可以看出，__swab32实现数据翻转。等下我们就来分析__swab32的实现，精髓就在这个函数。

但是这之前先考虑一个问题，对于不同CPU，如arm mips ppc，怎么来选择使用little_endian.h还是big_endian.h的呢。

答案是，针对不同处理器平台，有arch/xxx/include/asm/byteorder.h头文件，来看下arm mips ppc的byteorder.h分别是什么。

arch/arm/include/asm/byteorder.h

1.  *  arch/arm/include/asm/byteorder.h  
2.  *  
3.  * ARM Endian-ness.  In little endian mode, the data bus is connected such  
4.  * that byte accesses appear as:  
5.  *  0 = d0...d7, 1 = d8...d15, 2 = d16...d23, 3 = d24...d31  
6.  * and word accesses (data or instruction) appear as:  
7.  *  d0...d31  
8.  *  
9.  * When in big endian mode, byte accesses appear as:  
10.  *  0 = d24...d31, 1 = d16...d23, 2 = d8...d15, 3 = d0...d7  
11.  * and word accesses (data or instruction) appear as:  
12.  *  d0...d31  
13.  */  
14. #ifndef __ASM_ARM_BYTEORDER_H  
15. #define __ASM_ARM_BYTEORDER_H  
16.   
17. #ifdef __ARMEB__  
18. #include <linux/byteorder/big_endian.h>  
19. #else  
20. #include <linux/byteorder/little_endian.h>  
21. #endif  
22.   
23. #endif  

 

 

arch/mips/include/asm/byteorder.h

 

1. /*  
2.  * This file is subject to the terms and conditions of the GNU General Public  
3.  * License.  See the file "COPYING" in the main directory of this archive  
4.  * for more details.  
5.  *  
6.  * Copyright (C) 1996, 99, 2003 by Ralf Baechle  
7.  */  
8. #ifndef _ASM_BYTEORDER_H  
9. #define _ASM_BYTEORDER_H  
10.   
11. #if defined(__MIPSEB__)  
12. #include <linux/byteorder/big_endian.h>  
13. #elif defined(__MIPSEL__)  
14. #include <linux/byteorder/little_endian.h>  
15. #else  
16. # error "MIPS, but neither __MIPSEB__, nor __MIPSEL__???"  
17. #endif  
18.   
19. #endif /* _ASM_BYTEORDER_H */  

 

 

arch/powerpc/include/asm/byteorder.h

 

1. #ifndef _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H  
2. #define _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H  
3.   
4. /*  
5.  * This program is free software; you can redistribute it and/or  
6.  * modify it under the terms of the GNU General Public License  
7.  * as published by the Free Software Foundation; either version  
8.  * 2 of the License, or (at your option) any later version.  
9.  */  
10. #include <linux/byteorder/big_endian.h>  
11.   
12. #endif /* _ASM_POWERPC_BYTEORDER_H */  

可以看出arm mips在kernel下大小端都支持，arm mips也的确是可以选择处理器字节序。ppc仅支持big-endian。（其实ppc也是支持选择字节序的）

各个处理器平台的byteorder.h将littlie_endian.h/big_endian.h又包了一层，我们在编写driver时不需要关心处理器的字节序，只需要包含byteorder.h即可。

接下来看下最关键的__swab32函数，如下：

在include/linux/swab.h中

 

1. /**  
2.  * __swab32 - return a byteswapped 32-bit value  
3.  * @x: value to byteswap  
4.  */  
5. #define __swab32(x)             \  
6.     (__builtin_constant_p((__u32)(x)) ? \  
7.     ___constant_swab32(x) :         \  
8.     __fswab32(x))  

宏定义展开，是一个条件判断符。

 

 __builtin_constant_p是一个gcc的内建函数， 用于判断一个值在编译时是否是常数，如果参数是常数，函数返回 1，否则返回 0。
如果数据是常数，则__constant_swab32，实现如下：

 

1. #define ___constant_swab32(x) ((__u32)(             \  
2.     (((__u32)(x) & (__u32)0x000000ffUL) << 24) |        \  
3.     (((__u32)(x) & (__u32)0x0000ff00UL) <<  8) |        \  
4.     (((__u32)(x) & (__u32)0x00ff0000UL) >>  8) |        \  
5.     (((__u32)(x) & (__u32)0xff000000UL) >> 24)))  

对于常数数据，采用的是普通的位移然后拼接的方法，对于常数，这样的消耗是有必要的（这是kernel的解释，不是很理解）

 

如果数据是运行时计算数据，则使用__fswab32，实现如下：

 

1. static inline __attribute_const__ __u32 __fswab32(__u32 val)  
2. {  
3. #ifdef __arch_swab32  
4.     return __arch_swab32(val);  
5. #else  
6.     return ___constant_swab32(val);  
7. #endif  
8. }  

如果未定义__arch_swab32，则还是采用__constant_swab32方法翻转数据，但是arm mips ppc都定义了各自平台的__arch_swab32，来实现一个针对自己平台的高效的swap，分别定义如下：

 

arch/arm/include/asm/swab.h

 

1. static inline __attribute_const__ __u32 __arch_swab32(__u32 x)  
2. {  
3.     __asm__ ("rev %0, %1" : "=r" (x) : "r" (x));  
4.     return x;  
5. }  

 

 

arch/mips/include/asm/swab.h

 

1. static inline __attribute_const__ __u32 __arch_swab32(__u32 x)  
2. {  
3.     __asm__(  
4.     "   wsbh    %0, %1          \n"  
5.     "   rotr    %0, %0, 16      \n"  
6.     : "=r" (x)  
7.     : "r" (x));  
8.   
9.     return x;  
10. }  

arch/powerpc/include/asm/swab.h

 

1. static inline __attribute_const__ __u32 __arch_swab32(__u32 value)  
2. {  
3.     __u32 result;  
4.   
5.     __asm__("rlwimi %0,%1,24,16,23\n\t"  
6.         "rlwimi %0,%1,8,8,15\n\t"  
7.         "rlwimi %0,%1,24,0,7"  
8.         : "=r" (result)  
9.         : "r" (value), "0" (value >> 24));  
10.     return result;  
11. }  

可以看出，arm使用1条指令（rev数据翻转指令），mips使用2条指令（wsbh rotr数据交换指令），ppc使用3条指令（rlwimi数据位移指令），来完成了32 bit数据的翻转。这相对于普通的位移拼接的方法要高效的多！ 

其实从函数名__fswab也可以看出是要实现fast swap的。