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Lesson7.8-Linux硬件设备访问.md

File metadata and controls

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Linux 硬件设备访问

mmap设备操作

  • mmap系统调用
    • 原型: void* mmap(void* addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset)
    • 功能:
      • 内存映射函数mmap, 负责把文件内容映射到进程的虚拟空间, 通过对这段内存的读取和修改, 来实现对文件的读取和修改, 而不需要再调用read/write等操作
    • 参数:
      • addr: 指定映射的起始地址, 通常设为NULL, 由系统指定;
      • len: 映射到内存的文件长度;
      • prot: 映射区的保护方式, 可以是:
        • PROT_EXEC: 映射区可被执行
        • PROT_READ: 映射区可被读取
        • PROT_WRITE: 映射区可被写入
      • flags: 映射区的特性, 可以是:
        • MAP_SHARED: 写入映射区的数据会复制回文件, 且允许其他映射该文件的进程共享;
        • MAP_PRIVATE: 对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制, 对此区域所做的修改不会写回原文件;
      • fd: 由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件;
      • offset 以文件开始处的偏移量, 必须是分页大小的整数倍, 通常为0, 表示从文件头开始映射;
  • 解除映射
    • int munmap(void* start, size_t length)
    • 功能: 取消参数start所指向的映射内存, 参数length表示欲取消的内存大小;
    • 返回值: 解除成功返回0, 否则返回-1, 错误原因存于errno中;
  • 虚拟内存区域
    • 定义:
      • 进程的虚拟地址空间中的一个同质区间, 即具有同样特性的连续地址范围;
    • 组成:
      1. 程序代码;
      2. 数据;
      3. BSS和栈区域;
      4. 内存映射的区域;
    • 进程的内存区域查看: /proc/pid/maps
      • 格式: start_end perm offset major:minor inode
        • start: 该区域起始虚拟地址;
        • end: 该区域结束虚拟地址;
        • perm: 读写和执行权限,以及私有(p)/共享(s)特性;
        • offset: 被映射部分在文件中的起始地址;
        • major/minor: 主/次设备号;
        • inode: 索引结点;
    • 描述结构 - vm_area_struct(<linux/mm_types.h>), 主要成员:
      • unsigned long vm_start: 虚拟内存区域起始地址
      • unsigned long vm_end: 虚拟内存区域结束地址
      • unsigned long vm_flags: 该区域的标记
        • VM_IO: 将该VMA标记为内存映射的IO区域, 会阻止系统将该区域包含在进程的存放转存(core dump)中;
        • VM_RESERVED: 标志内存区域不能被换出;
  • mmap设备操作
    • 映射一个设备
      • 把用户空间的一段地址关联到设备内存上;
      • 当程序读写这段用户空间地址时, 实际上是在访问设备;
    • mmap设备方法需要完成的功能
      • 建立虚拟地址到物理地址的页表.
    • 原型: int (*mmap)(struct file*, struct vm_area_struct*)
    • 如何完成页表的建立?
      1. 使用remap_pfn_range一次建立所有页表;
      int remap_pfn_range(struct vm_area_struct* vma,
  unsigned long addr, unsigned long pfn,
  unsigned long size, pgprot_t prot)
parameters:
  - vma: 虚拟内存区域指针;
  - addr: 虚拟地址的起始值;
  - pfn: 要映射的物理地址所在的物理页帧号, 可将物理地址>>PAGE_SHIFT得到;
  - size: 要映射的区域大小;
  - prot: VMA的保护属性;

      int memdev_mmap(struct file* filp, struct vm_area_struct* vma)
{
  vma->vm_flags |= VM_IO;
  vma->vm_flags |= VM_RESERVED;

  if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start,
    virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, size, vma->vm_page_prot))
  {
    return -EAGAIN;
  }

  return 0;
}
      1. 使用nopage VMA方法每次建立一个页表;

硬件访问

  • 寄存器与内存的区别
    • 寄存器操作有副作用(side effect 或 边际效果): 读取某个地址时可能导致该地址内容发生变化;
  • 内存与I/O
    • 内存空间与I/O空间是彼此独立的地址空间
    • IO端口: 位于IO空间的寄存器/内存
      • 操作I/O端口:
        1. 申请
        • 原型: 
          struct resource* request_region(
  unsigned long first, unsigned long n, const char* name)
function:
  - 使用从first开始的n个端口;
parameters:
  - name: 设备名字
return:
  !=NULL: 申请成功;
  =NULL: 申请失败;
        • 查看IO端口的分配情况: /proc/ioports
        1. 访问
        • unsigned inb(unsigned port) - 读字节端口(8位宽)
        • void outb(unsigned char byte, unsigned port) - 写字节端口(8位宽)
        • unsigned inw(unsigned port) - 读端口(16位宽)
        • void outw(unsigned short word, unsigned port) - 写端口(16位宽)
        • unsigned inl(unsigned port) - 读端口(32位宽)
        • void outl(unsigned long word, unsigned port) - 写端口(32位宽)
        1. 释放
        • void release_region(unsigned long start, unsigned long n)
    • IO内存: 位于内存空间的寄存器/内存
      1. 申请
      • 原型: 
        struct resource* request_mem_region(
  unsigned long start, unsigned long len, const char* name)
function:
  - 申请一个从start开始的长度为len字节的内存区;
parameters:
  - name: 设备名字
return:
  !=NULL: 申请成功;
  =NULL: 申请失败;
      • 所有已经在使用的I/O内存列出在: /proc/iomem
      1. 映射 - (物理地址到虚拟地址的映射)
      • void* ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size)
      1. 访问
      • unsigned ioread8(void* addr)
      • unsigned ioread16(void* addr)
      • unsigned ioread32(void* addr)
      • unsigned iowrite8(u8 value, void* addr)
      • unsigned iowrite16(u16 value, void* addr)
      • unsigned iowrite32(u32 value, void* addr)
      1. 释放
      2. void iounmap(void* addr)
      3. void release_mem_region(unsigned long start, unsigned long len)

混杂设备驱动

  • 混杂设备
    • Linux中存在一类字符设备, 共享一个主设备号, 但次设备号不同, 称之为混杂设备miscdevice;
    • 所有混杂设备形成一个链表, 对设备访问时内核根据次设备号查找到相应的miscdevice;
  • 结构描述 struct miscdevice 
    struct miscdevice
{
  int minor;
  const char* name;
  const struct file_operations* fops;
  struct list_head list;
  struct device* parent;
  struct device* this_device;
}
  • 混杂设备注册
    • int misc_register(struct miscdevice* misc)
  • 设备资源
    • 结构描述 
      struct resource
{
  resource_size_t start;
  resource_size_t end;
  const char* name;
  unsigned long flags;
  struct resource *parent, *sibling, *child;
}
    • 实例: 
      static struct resource s3c_wdt_resource1 = {
  .start = 0x44100000,
  .end = 0x44200000,
  .flags = IORESOURCE_MEM,
}
static struct resource s3c_wdt_resource2 = {
  .start = 20,
  .end = 20,
  .flags = IORESOURCE_IRQ,
}

LED驱动程序设计