相關(guān)專題： Linux設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)入門
對于提供了MMU（存儲管理器，輔助操作系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)存管理，提供虛實地址轉(zhuǎn)換等硬件支持）的處理器而言，Linux提供了復(fù)雜的存儲管理系統(tǒng)，使得進(jìn)程所能訪問的內(nèi)存達(dá)到4GB。
進(jìn)程的4GB內(nèi)存空間被人為的分為兩個部分--用戶空間與內(nèi)核空間。用戶空間地址分布從0到3GB(PAGE_OFFSET，在0x86中它等于0xC0000000)，3GB到4GB為內(nèi)核空間，如下圖：
內(nèi)核空間中，從3G到vmalloc_start這段地址是物理內(nèi)存映射區(qū)域（該區(qū)域中包含了內(nèi)核鏡像、物理頁框表mem_map等等），比如我們使用的VMware虛擬系統(tǒng)內(nèi)存是160M，那么3G～3G+160M這片內(nèi)存就應(yīng)該映射物理內(nèi)存。在物理內(nèi)存映射區(qū)之后，就是vmalloc區(qū)域。對于160M的系統(tǒng)而言，vmalloc_start位置應(yīng)在3G+160M附近（在物理內(nèi)存映射區(qū)與vmalloc_start期間還存在一個8M的gap來防止躍界），vmalloc_end的位置接近4G(最后位置系統(tǒng)會保留一片128k大小的區(qū)域用于專用頁面映射)，如下圖：
kmalloc和get_free_page申請的內(nèi)存位于物理內(nèi)存映射區(qū)域，而且在物理上也是連續(xù)的，它們與真實的物理地址只有一個固定的偏移，因此存在較簡單的轉(zhuǎn)換關(guān)系，virt_to_phys()可以實現(xiàn)內(nèi)核虛擬地址轉(zhuǎn)化為物理地址：
#define __pa(x) ((unsigned long)(x)-PAGE_OFFSET)
extern inline unsigned long virt_to_phys(volatile void * address)
{
return __pa(address);
} |
上面轉(zhuǎn)換過程是將虛擬地址減去3G（PAGE_OFFSET=0XC000000）。
與之對應(yīng)的函數(shù)為phys_to_virt()，將內(nèi)核物理地址轉(zhuǎn)化為虛擬地址：
#define __va(x) ((void *)((unsigned long)(x)+PAGE_OFFSET))
extern inline void * phys_to_virt(unsigned long address)
{
return __va(address);
} |
virt_to_phys()和phys_to_virt()都定義在include\asm-i386\io.h中。
而vmalloc申請的內(nèi)存則位于vmalloc_start～vmalloc_end之間，與物理地址沒有簡單的轉(zhuǎn)換關(guān)系，雖然在邏輯上它們也是連續(xù)的，但是在物理上它們不要求連續(xù)。
我們用下面的程序來演示kmalloc、get_free_page和vmalloc的區(qū)別：
#include <linux/module.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/vmalloc.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
unsigned char *pagemem;
unsigned char *kmallocmem;
unsigned char *vmallocmem;
int __init mem_module_init(void)
{
//最好每次內(nèi)存申請都檢查申請是否成功
//下面這段僅僅作為演示的代碼沒有檢查
pagemem = (unsigned char*)get_free_page(0);
printk("<1>pagemem addr=%x", pagemem);
kmallocmem = (unsigned char*)kmalloc(100, 0);
printk("<1>kmallocmem addr=%x", kmallocmem);
vmallocmem = (unsigned char*)vmalloc(1000000);
printk("<1>vmallocmem addr=%x", vmallocmem);
return 0;
}
void __exit mem_module_exit(void)
{
free_page(pagemem);
kfree(kmallocmem);
vfree(vmallocmem);
}
module_init(mem_module_init);
module_exit(mem_module_exit); |
我們的系統(tǒng)上有160MB的內(nèi)存空間，運(yùn)行一次上述程序，發(fā)現(xiàn)pagemem的地址在0xc7997000（約3G+121M）、kmallocmem地址在0xc9bc1380（約3G+155M）、vmallocmem的地址在0xcabeb000（約3G+171M）處，符合前文所述的內(nèi)存布局。
接下來，我們討論Linux設(shè)備驅(qū)動究竟怎樣訪問外設(shè)的I/O端口（寄存器）。
幾乎每一種外設(shè)都是通過讀寫設(shè)備上的寄存器來進(jìn)行的，通常包括控制寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器三大類，外設(shè)的寄存器通常被連續(xù)地編址。根據(jù)CPU體系結(jié)構(gòu)的不同，CPU對IO端口的編址方式有兩種：
?。?）I/O映射方式（I/O-mapped）
典型地，如X86處理器為外設(shè)專門實現(xiàn)了一個單獨的地址空間，稱為"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。
