Linux驅動開發（六）記憶體使用

linux 使用的是乙個虛擬記憶體系統，意味著使用者程式所使用的位址和硬體使用的實體地址是不等同的。本篇部落格首先會簡單描述相應的概念，然後介紹下記憶體訪問的相應介面，最後討論下和硬體io相關的知識。

系統對記憶體的使用是基於頁的，頁是實體地址分成的離散單元。頁的大小一般位 4096 個位元組。記憶體的位址都被分為了頁號和乙個偏移量。

處理器一般會提供乙個記憶體管理單元（mmu），mmu 提供了虛擬位址和實體地址的對映、記憶體訪問許可權保護、cache 快取控制等硬體支援。詳細的 mmu 的工作模式不在這裡詳細描述。

對於乙個linux 程序來講，4gb 的記憶體空間被分為了兩個部分：使用者空間（0~3gb/page_offset）和核心空間（3~4gb）。核心空間又被分為了物理位址對映區（896mb）、專用頁面對映區（fixaddr_start~fixaddr_top）、系統保留對映區(fixaddr_top~4gb)。

一般來講，系統記憶體對映區最大位896mb，低於這個值的記憶體擁有邏輯位址，當大於這個值的時候，核心必須對映到高階頁面對映區。一般來講，核心資料都被放置在低端記憶體中，高階記憶體更趨向於為使用者空間對映保留。

在使用者空間使用malloc()和free()函式進行記憶體的申請和釋放，而核心空間往往使用下面的幾個函式來進行記憶體的動態申請：

kmalloc

c

void *kmalloc(size_t size, init flags);

功能：從物理記憶體對映區域申請一塊記憶體。

引數：size申請的塊的大小；flags分配標誌，常用的標誌有：

gfp_kernel在核心空間的程序中申請記憶體。

gfp_atomic如果不存在空閒頁，直接返回。

使用kmalloc申請的記憶體應搭配使用kfree來釋放。

__get_free_pages()

c


//申請 
get_zeroed_page(unsigned int flags); 
__get_free_page(unsigned int flags); 
__get_free_pages(unsigned int flags, unsigned int order); 
//釋放 
void free_page(unsigned long addr);

void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);

使用 gfp 等函式，申請的空間是以頁為單位的，第乙個函式返回乙個指向新頁的指標並將該頁清零，第二個函式返回乙個指向新頁的指標但不清零，第三個函式返回乙個指向多個頁的首位址，分配的頁數為2的order次冪。

vmalloc()

c


void *vmalloc(unsigned long size);

void vfree(void *addr);

vmalloc在虛擬記憶體空間給出一塊連續的記憶體區，這個函式不能用於原子上下文中。

和vmalloc類似，還有一對ioremapiounmap函式，用於對映i/o記憶體到虛擬空間，下面會使用到這個函式。

slab

針對返回使用的同一大小的記憶體塊，核心提供了後備快取記憶體。slab 演算法就是針對上述特點設計的。

c


//建立 slab 快取 
struct kmem_cache *kmen_cache_create(const char *name, size_t size, 
size_t align, unsigned long flags, 
void (*ctor)(void *, struct kmem_cache *, unsigned long), 
void (*dtor)(void *, struct kmem_cache *, unsigned long)); 
//分配 slab 快取 
void kmem_cache_alloc(struct kmem_cache *cachep, gfp_t flags); 
//釋放 slab 快取 
void kmem_cache_free(struct kmem_cache *cachep, void *objp); 
//收回 slab 快取

int kmem_cache_destroy(struct kmem_cache *cachep);

裝置通常會有相應的暫存器來控制相應的功能，這些暫存器可能存在在io空間，也可能存在在記憶體空間。需要注意的是不管是io埠還是io記憶體都存在邊界效應。

i/o埠的分配

c


struct resource *request_region(unsigned long first, unsigned long n, 
const char *name);//申請操作的埠 
void release_region(unsigned long start, unsigned long n);//釋放使用的埠 
int check_region(unsigned long first, unsigned long n);//檢查埠是否可用

申請埠成功返回非null值，失敗返回null。

i/o埠的操作

c


//讀寫8位埠 
unsigned inb(unsigned port); 
void outb(unsigned char byte, unsigned port); 
//讀寫16位埠 
unsigned inw(unsigned port); 
void outw(unsigned short word, unsigned port); 
//讀寫32位埠 
unsigned inl(unsigned port); 
void outl(unsigned long byte, unsigned port); 
//讀寫一串位元組 
void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
//讀寫一串字 
void insw(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
void outsw(unsigned port, void *addr, unsigned long count); 
//讀寫一串長字 
void insl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);

void outsl(unsigned port, void *addr, unsigned long count);

上述函式的port型別依賴於硬體平台。

i/o記憶體的分配對映

c


struct resource *request_mem_region(unsigned long start, unsigned long len, 
char *name);//分配i/o記憶體區域 
void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);//釋放i/o記憶體 
int check_mem_region(unsigned long start, unsigned long len);//檢查是否可用

進行io記憶體的申請和釋放後，並不是意味著得到的指標可以使用，應使用上面提到的ioremap函式來將相應的io記憶體對映到虛擬空間內。

i/o記憶體的訪問

i/o記憶體訪問使用下述函式，不再詳細描述。

c


unsigned int ioread8(void *addr); 
unsigned int ioread16(void *addr); 
unsigned int ioread32(void *addr); 
void iowrite8(u8 value, void *addr); 
void iowrite16(u16 value, void *addr);

void iowrite32(u32 value, void *addr);

有一對函式可以把i/o埠對映為i/o記憶體。

c


void *ioport_map(unsigned long port, unsigned int count);

void ioport_unmap(void *addr);

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